JPH06103984A - 燃料電池用電極構造 - Google Patents
燃料電池用電極構造Info
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- JPH06103984A JPH06103984A JP4277958A JP27795892A JPH06103984A JP H06103984 A JPH06103984 A JP H06103984A JP 4277958 A JP4277958 A JP 4277958A JP 27795892 A JP27795892 A JP 27795892A JP H06103984 A JPH06103984 A JP H06103984A
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 従来の燃料電池は、その触媒電極層中のカー
ボン担体の見掛け密度が比較的高く、ガス拡散が阻害さ
れやすく、高い電流密度で電流を取り出せないという欠
点があった。本発明は、電極厚さを薄くすることなく十
分なガス拡散能を確保し、これにより十分な電流密度で
電流を取り出すことのできる燃料電池用電極構造を提供
することを目的とする。 【構成】 カーボン担体とイオン伝導性固体高分子を含
む燃料電池用電極構造中のカーボン担体の見掛け密度が
0.05ｇ／ｃｍ3 以上1.2 ｇ／ｃｍ3 以下とする。この電
極構造では、カーボン担体の見掛け密度が従来の電極構
造より小さく、従ってガス拡散を十分に行うための空隙
が確保されているため、触媒電極層の厚さを大きくして
担持触媒量を増大させ、かつ触媒電極層中のイオン交換
樹脂量を一定量の範囲で加えることにより取り出せる電
流量も増大させることができる。
ボン担体の見掛け密度が比較的高く、ガス拡散が阻害さ
れやすく、高い電流密度で電流を取り出せないという欠
点があった。本発明は、電極厚さを薄くすることなく十
分なガス拡散能を確保し、これにより十分な電流密度で
電流を取り出すことのできる燃料電池用電極構造を提供
することを目的とする。 【構成】 カーボン担体とイオン伝導性固体高分子を含
む燃料電池用電極構造中のカーボン担体の見掛け密度が
0.05ｇ／ｃｍ3 以上1.2 ｇ／ｃｍ3 以下とする。この電
極構造では、カーボン担体の見掛け密度が従来の電極構
造より小さく、従ってガス拡散を十分に行うための空隙
が確保されているため、触媒電極層の厚さを大きくして
担持触媒量を増大させ、かつ触媒電極層中のイオン交換
樹脂量を一定量の範囲で加えることにより取り出せる電
流量も増大させることができる。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、高電流密度で電流を取
り出すことのできる燃料電池用電極の構造に関する。
り出すことのできる燃料電池用電極の構造に関する。
【０００２】
【従来技術及び問題点】高分子固体電解質型燃料電池は
リン酸型燃料電池と比較してコンパクトで高い電流密度
を取り出せることから電気自動車、宇宙船用の電源とし
て注目されている。又この分野の開発においても種々の
電極構造や触媒作製方法、システム構成等に関する提案
がなされている。通常の燃料電池の電極構造は、カーボ
ンブラック等のカーボン担体上に白金粒子等の触媒粒子
を担持させこの担体粒子をナフィオン（デュポン社製）
等のイオン伝導性物質と混合して形成した電極物質を構
成し、この電極物質を集電体及びイオン交換膜とともに
積層しホットプレスにより一体化し、カソード用集電体
／カソード／高分子固体電解質（イオン交換膜）／アノ
ード／アノード用集電体の５層サンドイッチ構造として
調製されている。
リン酸型燃料電池と比較してコンパクトで高い電流密度
を取り出せることから電気自動車、宇宙船用の電源とし
て注目されている。又この分野の開発においても種々の
電極構造や触媒作製方法、システム構成等に関する提案
がなされている。通常の燃料電池の電極構造は、カーボ
ンブラック等のカーボン担体上に白金粒子等の触媒粒子
を担持させこの担体粒子をナフィオン（デュポン社製）
等のイオン伝導性物質と混合して形成した電極物質を構
成し、この電極物質を集電体及びイオン交換膜とともに
積層しホットプレスにより一体化し、カソード用集電体
／カソード／高分子固体電解質（イオン交換膜）／アノ
ード／アノード用集電体の５層サンドイッチ構造として
調製されている。
【０００３】燃料電池用電極として必要とされる条件の
１つは、高電流密度で電流を取り出せることである。従
来の燃料電池用電極中の触媒電極層中のカーボン担体が
該触媒電極層中で占める密度（見掛け密度）は1.2 ｇ／
ｃｍ3 を越えていた。これは使用するカーボン担体の嵩
密度が大きく、又ホットプレス圧力も高いためである
が、このように電極内のカーボン担体の嵩密度が高いと
電極内の空隙が減少して反応ガスの拡散が阻害され高電
流密度が得られなくなるという欠点がある。この欠点を
解消して十分な拡散を確保するために従来は電極の厚さ
を薄くしていたが、この方法では白金等の触媒粒子の担
持量が減少するためガス拡散は良好になっても電極反応
をまかなうための触媒の絶対量が不足してしまうという
新たな欠点が生じている。又触媒の利用率を向上させる
ためにイオン伝導性高分子の量を増加させる必要がある
が、添加量が増加すると電極中の空隙が減少するという
欠点もある。
１つは、高電流密度で電流を取り出せることである。従
来の燃料電池用電極中の触媒電極層中のカーボン担体が
該触媒電極層中で占める密度（見掛け密度）は1.2 ｇ／
ｃｍ3 を越えていた。これは使用するカーボン担体の嵩
密度が大きく、又ホットプレス圧力も高いためである
が、このように電極内のカーボン担体の嵩密度が高いと
電極内の空隙が減少して反応ガスの拡散が阻害され高電
流密度が得られなくなるという欠点がある。この欠点を
解消して十分な拡散を確保するために従来は電極の厚さ
を薄くしていたが、この方法では白金等の触媒粒子の担
持量が減少するためガス拡散は良好になっても電極反応
をまかなうための触媒の絶対量が不足してしまうという
新たな欠点が生じている。又触媒の利用率を向上させる
ためにイオン伝導性高分子の量を増加させる必要がある
が、添加量が増加すると電極中の空隙が減少するという
欠点もある。
【０００４】
【発明の目的】本発明は上記問題点に鑑み、電極厚さを
薄くすることなく又イオン伝導性高分子量を増加させて
も十分なガス拡散を確保し、これにより十分な電流密度
で電流を取り出すことのできる燃料電池用電極構造を提
供することを目的とする。
薄くすることなく又イオン伝導性高分子量を増加させて
も十分なガス拡散を確保し、これにより十分な電流密度
で電流を取り出すことのできる燃料電池用電極構造を提
供することを目的とする。
【０００５】
【問題題を解決するための手段】本発明は、触媒金属を
担持したカーボン担体とカーボン担体に付着したイオン
伝導性固体高分子を含んで成る燃料電池用電極構造にお
いて、該電極構造中のカーボン担体の見掛け密度が0.05
ｇ／ｃｍ3 以上1.2 ｇ／ｃｍ3 以下であることを特徴と
する電極構造である。
担持したカーボン担体とカーボン担体に付着したイオン
伝導性固体高分子を含んで成る燃料電池用電極構造にお
いて、該電極構造中のカーボン担体の見掛け密度が0.05
ｇ／ｃｍ3 以上1.2 ｇ／ｃｍ3 以下であることを特徴と
する電極構造である。
【０００６】以下、本発明の詳細について説明する。本
発明の燃料電池用電極構造は、該電極構造の見掛け密
度、つまり触媒電極層中のカーボン担体の重量を触媒電
極層の体積で割った値が0.05ｇ／ｃｍ3 以上、1.2 ｇ／
ｃｍ3 以下になるようにしたことを特徴とする。従来の
燃料電池用電極構造における見掛け密度は上述の通り1.
2 ｇ／ｃｍ3 を越える値であり、このようにカーボン担
体の見掛け密度が大きかった理由としては、原料とし
て使用するカーボン粒子の嵩密度が大きいこと、ホッ
トプレス圧力が大きく、カーボン粒子が圧縮されやすい
こと、イオン伝導性固体高分子（特にパーフルオロカ
ーボン系ボリマー）と混合するカーボン粒子の割合が大
きいこと等が挙げられる。このような欠点に対し従来は
さほど関心が払われず、燃料電池の性能向上は触媒金属
の選択や担体材質の選択によっていた。
発明の燃料電池用電極構造は、該電極構造の見掛け密
度、つまり触媒電極層中のカーボン担体の重量を触媒電
極層の体積で割った値が0.05ｇ／ｃｍ3 以上、1.2 ｇ／
ｃｍ3 以下になるようにしたことを特徴とする。従来の
燃料電池用電極構造における見掛け密度は上述の通り1.
2 ｇ／ｃｍ3 を越える値であり、このようにカーボン担
体の見掛け密度が大きかった理由としては、原料とし
て使用するカーボン粒子の嵩密度が大きいこと、ホッ
トプレス圧力が大きく、カーボン粒子が圧縮されやすい
こと、イオン伝導性固体高分子（特にパーフルオロカ
ーボン系ボリマー）と混合するカーボン粒子の割合が大
きいこと等が挙げられる。このような欠点に対し従来は
さほど関心が払われず、燃料電池の性能向上は触媒金属
の選択や担体材質の選択によっていた。
【０００７】本発明は既述した通り、燃料電池の電極を
構成する材料の材質自体は従来と同様のものを使用し、
これらの材質の物性を適宜選択しあるいは混合割合を調
節することにより、触媒電極層中のカーボン担体の前記
見掛け密度を比較的小さい一定範囲内に維持することに
より担体カーボンに対して10〜60％のイオン交換樹脂を
添加しても前記触媒電極層の多孔度を向上させて該触媒
電極層中に十分な空隙を確保するようにしている。この
ようにすると前記触媒電極層の厚さが厚くなっても未反
応ガス及び反応ガスの前記触媒電極層内での拡散を確保
して用途に応じた触媒電極層の厚さをガス拡散を考慮す
ることなく任意に設定することが可能になり、かつ触媒
の利用率を高めることができる。本発明の燃料電池用電
極構造における前記触媒電極層中のカーボン担体の見掛
け密度は0.05ｇ／ｃｍ3 以上、1.2 ｇ／ｃｍ3 以下とす
る。上限を1.2 ｇ／ｃｍ3 とするのはこの付近からカー
ボン担体の見掛け密度の電流密度及び活性に対する影響
が生じ始めるからであり、下限を0.05ｇ／ｃｍ3 とする
のはこの値未満であるとカーボン担体同士の結合力が不
十分になり触媒利用率が低下するからである。又本発明
の電極構造におけるイオン交換樹脂量をカーボン担体に
対する比率で１：９〜６：４とするのは、下限に対して
はプロトンの電極中での移動が損なわれかつ触媒を十分
に覆うことができないために触媒利用率が低下するから
であり、上限に対してはイオン交換樹脂のコーティング
厚が厚くなりすぎるために触媒表面へのガス拡散が損な
われるからである。
構成する材料の材質自体は従来と同様のものを使用し、
これらの材質の物性を適宜選択しあるいは混合割合を調
節することにより、触媒電極層中のカーボン担体の前記
見掛け密度を比較的小さい一定範囲内に維持することに
より担体カーボンに対して10〜60％のイオン交換樹脂を
添加しても前記触媒電極層の多孔度を向上させて該触媒
電極層中に十分な空隙を確保するようにしている。この
ようにすると前記触媒電極層の厚さが厚くなっても未反
応ガス及び反応ガスの前記触媒電極層内での拡散を確保
して用途に応じた触媒電極層の厚さをガス拡散を考慮す
ることなく任意に設定することが可能になり、かつ触媒
の利用率を高めることができる。本発明の燃料電池用電
極構造における前記触媒電極層中のカーボン担体の見掛
け密度は0.05ｇ／ｃｍ3 以上、1.2 ｇ／ｃｍ3 以下とす
る。上限を1.2 ｇ／ｃｍ3 とするのはこの付近からカー
ボン担体の見掛け密度の電流密度及び活性に対する影響
が生じ始めるからであり、下限を0.05ｇ／ｃｍ3 とする
のはこの値未満であるとカーボン担体同士の結合力が不
十分になり触媒利用率が低下するからである。又本発明
の電極構造におけるイオン交換樹脂量をカーボン担体に
対する比率で１：９〜６：４とするのは、下限に対して
はプロトンの電極中での移動が損なわれかつ触媒を十分
に覆うことができないために触媒利用率が低下するから
であり、上限に対してはイオン交換樹脂のコーティング
厚が厚くなりすぎるために触媒表面へのガス拡散が損な
われるからである。
【０００８】カーボン担体の見掛け密度を上記範囲内に
維持するためには、原料であるカーボン担体として嵩密
度の小さいカーボンブラック等を使用し、あるいは触媒
電極層をカーボン担体とともに構成するイオン伝導性固
体高分子例えばパーフルオロカーボン系ボリマーである
ナフィオンそして必要に応じて使用される他の物質に対
する前記カーボン担体の量を調節し、あるいはホットプ
レス圧力を調節する等により行うことができる。このよ
うにして調製される燃料電池用電極構造はそのカーボン
担体の見掛け密度が従来の電極構造より小さく、10〜60
％のイオン交換樹脂を添加してもガス拡散を十分に行う
ための空隙が確保されているため、触媒電極層の厚さを
大きくして担持触媒量を増大させて取り出せる電流量も
増大させることができる。特に本発明の燃料電池用電極
では触媒金属の担持量が多いほど電流密度の増加割合が
大きく、より大きな電流を取り出すことが可能になる。
維持するためには、原料であるカーボン担体として嵩密
度の小さいカーボンブラック等を使用し、あるいは触媒
電極層をカーボン担体とともに構成するイオン伝導性固
体高分子例えばパーフルオロカーボン系ボリマーである
ナフィオンそして必要に応じて使用される他の物質に対
する前記カーボン担体の量を調節し、あるいはホットプ
レス圧力を調節する等により行うことができる。このよ
うにして調製される燃料電池用電極構造はそのカーボン
担体の見掛け密度が従来の電極構造より小さく、10〜60
％のイオン交換樹脂を添加してもガス拡散を十分に行う
ための空隙が確保されているため、触媒電極層の厚さを
大きくして担持触媒量を増大させて取り出せる電流量も
増大させることができる。特に本発明の燃料電池用電極
では触媒金属の担持量が多いほど電流密度の増加割合が
大きく、より大きな電流を取り出すことが可能になる。
【０００９】
【実施例】次に本発明に係わる燃料電池用電極構造の実
施例を記載するが、本実施例は本発明を限定するもので
はない。
施例を記載するが、本実施例は本発明を限定するもので
はない。
【実施例１】嵩密度0.2 ｇ／ｃｍ3 のカーボン粉末10ｇ
に塩化白金酸水溶液（白金濃度５ｇ／リットル）を含浸
させた後、還元処理を行って白金担持量が30重量％であ
る白金カーボン担体を調製した。市販のイオン交換樹脂
分散溶液（ナフィオンのイソプロパノール溶液）に前記
カーボン担体を浸漬し超音波で分散させた。その後50〜
100 ℃で乾燥して前記カーボン担体の表面にイオン交換
樹脂層を形成した（ナフィオン：カーボン担体＝１：
１）。この触媒粉末を担持白金量が平均0.25ｍｇ／ｃｍ
2 となるように分別し、アルコール中に再分散させた。
に塩化白金酸水溶液（白金濃度５ｇ／リットル）を含浸
させた後、還元処理を行って白金担持量が30重量％であ
る白金カーボン担体を調製した。市販のイオン交換樹脂
分散溶液（ナフィオンのイソプロパノール溶液）に前記
カーボン担体を浸漬し超音波で分散させた。その後50〜
100 ℃で乾燥して前記カーボン担体の表面にイオン交換
樹脂層を形成した（ナフィオン：カーボン担体＝１：
１）。この触媒粉末を担持白金量が平均0.25ｍｇ／ｃｍ
2 となるように分別し、アルコール中に再分散させた。
【００１０】次にこの分散液を弱い吸引下で濾過して直
径50ｃｍの２枚の濾紙上に触媒を担持させた前記カーボ
ン粉末をアルコールが若干残るように付着させた後、該
２枚の濾紙を集電体として機能する撥水化処理した直径
20ｃｍ、厚さ360 μｍのカーボンペーパとともに、パー
フルオロカーボン系イオン交換膜であるナフィオン115
（デュポン社製）の両側に密着させ、130 ℃、５ｋｇ／
ｃｍ2 の圧力でホットプレスして一方面に厚さ10μｍの
アノード及び他面に厚さ10μｍのカソードが形成された
燃料電池用電極を調製した。このように調製された電極
のアノード及びカソード中のカソード担体の見掛け密度
は0.64ｇ／ｃｍ3 であった。
径50ｃｍの２枚の濾紙上に触媒を担持させた前記カーボ
ン粉末をアルコールが若干残るように付着させた後、該
２枚の濾紙を集電体として機能する撥水化処理した直径
20ｃｍ、厚さ360 μｍのカーボンペーパとともに、パー
フルオロカーボン系イオン交換膜であるナフィオン115
（デュポン社製）の両側に密着させ、130 ℃、５ｋｇ／
ｃｍ2 の圧力でホットプレスして一方面に厚さ10μｍの
アノード及び他面に厚さ10μｍのカソードが形成された
燃料電池用電極を調製した。このように調製された電極
のアノード及びカソード中のカソード担体の見掛け密度
は0.64ｇ／ｃｍ3 であった。
【００１１】又前記濾紙上へのカーボン粉末の担持量を
調整してアノード及びカソードとも厚さが40μｍで担持
白金量が平均約１ｍｇ／ｃｍ2 である燃料電池用電極構
造を製造した。次にこの２枚の厚さの異なる燃料電池用
電極を使用してその特性を下記条件下で評価した。つま
りアノード及びカソードへの供給ガスをそれぞれ90℃で
加湿した１気圧の水素及び酸素として80℃、0.7 Ｖにお
けるＩＲフリーの電流密度を測定したところ、厚さ10μ
ｍの電極の電流密度は0.51Ａ／ｃｍ2 、厚さ40μｍの電
極の電流密度は1.1 Ａ／ｃｍ2 であった。又これらの値
からそれぞれの白金１ｇ当たりの活性を算出したとこ
ろ、厚さ10μｍの電極では2020Ａ／ｇ、厚さ40μｍの電
極では1100Ａ／ｇであった。
調整してアノード及びカソードとも厚さが40μｍで担持
白金量が平均約１ｍｇ／ｃｍ2 である燃料電池用電極構
造を製造した。次にこの２枚の厚さの異なる燃料電池用
電極を使用してその特性を下記条件下で評価した。つま
りアノード及びカソードへの供給ガスをそれぞれ90℃で
加湿した１気圧の水素及び酸素として80℃、0.7 Ｖにお
けるＩＲフリーの電流密度を測定したところ、厚さ10μ
ｍの電極の電流密度は0.51Ａ／ｃｍ2 、厚さ40μｍの電
極の電流密度は1.1 Ａ／ｃｍ2 であった。又これらの値
からそれぞれの白金１ｇ当たりの活性を算出したとこ
ろ、厚さ10μｍの電極では2020Ａ／ｇ、厚さ40μｍの電
極では1100Ａ／ｇであった。
【００１２】
【比較例１】嵩密度0.4 ｇ／ｃｍ3 のカーボン担体を使
用し、実施例１と同様の条件で担持白金量が平均0.25ｍ
ｇ／ｃｍ2 である触媒粉末を調製した。次いで実施例１
と同様にしてこの触媒粉末を濾紙に付着させ、かつナフ
ィオン115 の両側に密着させ、130 ℃、５ｋｇ／ｃｍ2
の圧力でホットプレスして一方面に厚さ４μｍのアノー
ド及び他面に厚さ４μｍのカソードが形成された燃料電
池用電極を調製した。このように調製された電極のアノ
ード及びカソード中のカソード担体の見掛け密度は1.5
ｇ／ｃｍ3 であった。
用し、実施例１と同様の条件で担持白金量が平均0.25ｍ
ｇ／ｃｍ2 である触媒粉末を調製した。次いで実施例１
と同様にしてこの触媒粉末を濾紙に付着させ、かつナフ
ィオン115 の両側に密着させ、130 ℃、５ｋｇ／ｃｍ2
の圧力でホットプレスして一方面に厚さ４μｍのアノー
ド及び他面に厚さ４μｍのカソードが形成された燃料電
池用電極を調製した。このように調製された電極のアノ
ード及びカソード中のカソード担体の見掛け密度は1.5
ｇ／ｃｍ3 であった。
【００１３】又前記濾紙上へのカーボン粉末の担持量を
調整してアノード及びカソードとも厚さが17μｍで担持
白金量が平均約１ｍｇ／ｃｍ2 である燃料電池用電極構
造を製造した。次にこの２枚の厚さの異なる燃料電池用
電極を使用してその特性を実施例１と同一の条件で評価
したところ、厚さ４μｍの電極の電流密度は0.42Ａ／ｃ
ｍ2 、厚さ17μｍの電極の電流密度は0.51Ａ／ｃｍ2 で
あった。又これらの値からそれぞれの白金１ｇ当たりの
活性を算出したところ、厚さ４μｍの電極では1680Ａ／
ｇ、厚さ17μｍの電極では510 Ａ／ｇであった。実施例
１及び比較例１の電極における使用したカーボン担体の
嵩密度、電極厚さ、電極中のカーボン担体の見掛け密
度、電流密度及び白金１ｇ当たりの活性を関係を表１に
纏めた。
調整してアノード及びカソードとも厚さが17μｍで担持
白金量が平均約１ｍｇ／ｃｍ2 である燃料電池用電極構
造を製造した。次にこの２枚の厚さの異なる燃料電池用
電極を使用してその特性を実施例１と同一の条件で評価
したところ、厚さ４μｍの電極の電流密度は0.42Ａ／ｃ
ｍ2 、厚さ17μｍの電極の電流密度は0.51Ａ／ｃｍ2 で
あった。又これらの値からそれぞれの白金１ｇ当たりの
活性を算出したところ、厚さ４μｍの電極では1680Ａ／
ｇ、厚さ17μｍの電極では510 Ａ／ｇであった。実施例
１及び比較例１の電極における使用したカーボン担体の
嵩密度、電極厚さ、電極中のカーボン担体の見掛け密
度、電流密度及び白金１ｇ当たりの活性を関係を表１に
纏めた。
【００１４】
【表１】
【００１５】表１から、白金担持量が0.25ｍｇ／ｃｍ2
の場合、カーボン担体の嵩密度が0.2 ｇ／ｃｍ3 である
実施例１の電極では電流密度は0.51Ａ／ｃｍ2 であり、
カーボン担体の嵩密度が0.4 ｇ／ｃｍ3 である比較例１
の電極の電流密度0.42Ａ／ｃｍ2 より高くなることが判
る。又白金担持量が１ｍｇ／ｃｍ2 の場合、実施例１の
電極では電流密度が1.1 Ａ／ｃｍ2 であり、比較例１の
電極の電流密度0.51Ａ／ｃｍ2 より遙に高く、取り出せ
る電流値が大幅に増加し、これに伴い白金１ｇ当たりの
活性が増加していることが判る。
の場合、カーボン担体の嵩密度が0.2 ｇ／ｃｍ3 である
実施例１の電極では電流密度は0.51Ａ／ｃｍ2 であり、
カーボン担体の嵩密度が0.4 ｇ／ｃｍ3 である比較例１
の電極の電流密度0.42Ａ／ｃｍ2 より高くなることが判
る。又白金担持量が１ｍｇ／ｃｍ2 の場合、実施例１の
電極では電流密度が1.1 Ａ／ｃｍ2 であり、比較例１の
電極の電流密度0.51Ａ／ｃｍ2 より遙に高く、取り出せ
る電流値が大幅に増加し、これに伴い白金１ｇ当たりの
活性が増加していることが判る。
【００１６】
【実施例２】触媒電極層中のカソード担体及びアノード
担体の見掛け密度を0.1 ｇ／ｃｍ3とし触媒電極層の厚
さを58μｍとしたこと以外は実施例１と同様にして燃料
電池用電極を調製した。この電極を使用して実施例１と
同一条件で電流密度及び白金１ｇ当たりの活性を測定し
算出したところ、それぞれ0.50Ａ／ｃｍ2 、及び2000Ａ
／ｇであった。
担体の見掛け密度を0.1 ｇ／ｃｍ3とし触媒電極層の厚
さを58μｍとしたこと以外は実施例１と同様にして燃料
電池用電極を調製した。この電極を使用して実施例１と
同一条件で電流密度及び白金１ｇ当たりの活性を測定し
算出したところ、それぞれ0.50Ａ／ｃｍ2 、及び2000Ａ
／ｇであった。
【００１７】
【実施例３】触媒電極層中のカソード担体及びアノード
担体の見掛け密度を1.20ｇ／ｃｍ3とし触媒電極層の厚
さを10μｍとしたこと以外は実施例１と同様にして燃料
電池用電極を調製した。この電極を使用して実施例１と
同一条件で電流密度及び白金１ｇ当たりの活性を測定し
算出したところ、それぞれ0.87Ａ／ｃｍ2 、及び1740Ａ
／ｇであった。
担体の見掛け密度を1.20ｇ／ｃｍ3とし触媒電極層の厚
さを10μｍとしたこと以外は実施例１と同様にして燃料
電池用電極を調製した。この電極を使用して実施例１と
同一条件で電流密度及び白金１ｇ当たりの活性を測定し
算出したところ、それぞれ0.87Ａ／ｃｍ2 、及び1740Ａ
／ｇであった。
【００１８】
【実施例４】ナフィオン：カーボン担体を１：９とし、
触媒電極層厚を40μｍとしたこと以外は実施例１と同一
条件で燃料電池用電極を調製した。この電極を使用して
実施例１と同一条件で電流密度及び白金１ｇ当たりの活
性を測定し算出したところ、それぞれ0.63Ａ／ｃｍ2 、
及び630 Ａ／ｇであった。
触媒電極層厚を40μｍとしたこと以外は実施例１と同一
条件で燃料電池用電極を調製した。この電極を使用して
実施例１と同一条件で電流密度及び白金１ｇ当たりの活
性を測定し算出したところ、それぞれ0.63Ａ／ｃｍ2 、
及び630 Ａ／ｇであった。
【００１９】
【実施例５】ナフィオン：カーボン担体を６：４とした
こと以外は実施例４と同一条件で燃料電池用電極を調製
した。この電極を使用して実施例１と同一条件で電流密
度及び白金１ｇ当たりの活性を測定し算出したところ、
それぞれ0.85Ａ／ｃｍ2 、及び850 Ａ／ｇであった。
こと以外は実施例４と同一条件で燃料電池用電極を調製
した。この電極を使用して実施例１と同一条件で電流密
度及び白金１ｇ当たりの活性を測定し算出したところ、
それぞれ0.85Ａ／ｃｍ2 、及び850 Ａ／ｇであった。
【００２０】
【発明の効果】本発明は、触媒金属を担持したカーボン
担体とカーボン担体に付着したイオン伝導性固体高分子
を含んで成る燃料電池用電極構造において、該電極構造
中のカーボン担体の見掛け密度が0.05ｇ／ｃｍ3 以上1.
2 ｇ／ｃｍ3 以下であることを特徴とする電極構造（請
求項１）である。本発明の燃料電池用電極構造では、カ
ーボン担体として嵩密度の小さいカーボンブラック等を
使用したり、イオン伝導性固体高分子等のカーボン担体
以外の使用物質量を調節したり、触媒電極層と集電体及
びイオン交換膜を一体化して前記構造を構成する際のホ
ットプレス圧力を調節すること等により前記カーボン担
体の見掛け密度を前記範囲内に維持することができる。
該調節は使用するカーボン担体の嵩密度により行うこと
が望ましく、該カーボン担体の嵩密度を0.05〜0.3ｇ／
ｃｍ3 とすることにより（請求項２）、多くの場合触媒
電極層中のカーボン担体の見掛け密度を前記範囲内に維
持することができる。
担体とカーボン担体に付着したイオン伝導性固体高分子
を含んで成る燃料電池用電極構造において、該電極構造
中のカーボン担体の見掛け密度が0.05ｇ／ｃｍ3 以上1.
2 ｇ／ｃｍ3 以下であることを特徴とする電極構造（請
求項１）である。本発明の燃料電池用電極構造では、カ
ーボン担体として嵩密度の小さいカーボンブラック等を
使用したり、イオン伝導性固体高分子等のカーボン担体
以外の使用物質量を調節したり、触媒電極層と集電体及
びイオン交換膜を一体化して前記構造を構成する際のホ
ットプレス圧力を調節すること等により前記カーボン担
体の見掛け密度を前記範囲内に維持することができる。
該調節は使用するカーボン担体の嵩密度により行うこと
が望ましく、該カーボン担体の嵩密度を0.05〜0.3ｇ／
ｃｍ3 とすることにより（請求項２）、多くの場合触媒
電極層中のカーボン担体の見掛け密度を前記範囲内に維
持することができる。
【００２１】又イオン交換樹脂量をカーボン担体に対し
１：９〜６：４とすることにより、触媒表面全体を被覆
することができ、プロトンの移動も容易となり、電極を
厚くした場合にも触媒の有効利用が可能となる。このよ
うに調製された燃料電池用電極構造は、触媒電極層内に
十分な空隙が確保されているため、未反応ガス及び反応
ガスの触媒電極層内の拡散が阻害されることが殆どなく
十分高い電極密度で電流を取り出すことができる。従っ
て触媒電極層の厚さを厚くしても前記ガスの拡散及びプ
ロトンの移動は十分行われ、前記触媒電極層を厚くする
ことにより担持触媒量を増大させて取り出せる電流量も
増大させることができる。特に本発明の燃料電池用電極
では触媒金属の担持量が多いほど電流密度の増加割合が
大きく、より大きな電流を取り出すことが可能になる。
１：９〜６：４とすることにより、触媒表面全体を被覆
することができ、プロトンの移動も容易となり、電極を
厚くした場合にも触媒の有効利用が可能となる。このよ
うに調製された燃料電池用電極構造は、触媒電極層内に
十分な空隙が確保されているため、未反応ガス及び反応
ガスの触媒電極層内の拡散が阻害されることが殆どなく
十分高い電極密度で電流を取り出すことができる。従っ
て触媒電極層の厚さを厚くしても前記ガスの拡散及びプ
ロトンの移動は十分行われ、前記触媒電極層を厚くする
ことにより担持触媒量を増大させて取り出せる電流量も
増大させることができる。特に本発明の燃料電池用電極
では触媒金属の担持量が多いほど電流密度の増加割合が
大きく、より大きな電流を取り出すことが可能になる。
フロントページの続き (71)出願人 000218166 渡辺 政廣 山梨県甲府市和田町2421番地の８ (72)発明者 坂入 弘一 神奈川県平塚市新町２−73 田中貴金属工 業技術開発センター内 (72)発明者 渡辺 政廣 山梨県甲府市和田町2412番地の８
Claims (4)
- 【請求項１】 触媒金属を担持したカーボン担体とカー
ボン担体に付着したイオン伝導性固体高分子を含んで成
る燃料電池用電極構造において、該電極構造中のカーボ
ン担体の見掛け密度が0.05ｇ／ｃｍ3 以上1.2 ｇ／ｃｍ
3 以下であることを特徴とする電極構造。 - 【請求項２】 使用するカーボン担体の見掛け密度が0.
05〜0.3 ｇ／ｃｍ3 である請求項１に記載の電極構造。 - 【請求項３】 イオン伝導性固体高分子とカーボン担体
の重量比が１：９〜６：４である請求項１又は２に記載
の電極構造。 - 【請求項４】 触媒電極層の厚さが６〜80μｍである請
求項１から３までのいずれかに記載の触媒構造。
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP04277958A JP3103444B2 (ja) | 1992-09-22 | 1992-09-22 | 燃料電池用電極構造 |
| US08/125,636 US5453332A (en) | 1992-09-22 | 1993-09-22 | Electrode structure for fuel cell |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP04277958A JP3103444B2 (ja) | 1992-09-22 | 1992-09-22 | 燃料電池用電極構造 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH06103984A true JPH06103984A (ja) | 1994-04-15 |
| JP3103444B2 JP3103444B2 (ja) | 2000-10-30 |
Family
ID=17590649
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP04277958A Expired - Fee Related JP3103444B2 (ja) | 1992-09-22 | 1992-09-22 | 燃料電池用電極構造 |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US5453332A (ja) |
| JP (1) | JP3103444B2 (ja) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2002054514A1 (en) * | 2000-12-28 | 2002-07-11 | Sony Corporation | Gas diffusive electrode, electroconductive ion conductor, their manufacturing method, and electrochemical device |
| JP2007317658A (ja) * | 2006-05-15 | 2007-12-06 | Gm Global Technology Operations Inc | 膜電極アッセンブリの性能を最適化するための制御パラメータ |
| JP2017188269A (ja) * | 2016-04-04 | 2017-10-12 | トヨタ自動車株式会社 | 燃料電池用触媒層の製造方法 |
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|---|---|---|---|---|
| US6703150B2 (en) | 1993-10-12 | 2004-03-09 | California Institute Of Technology | Direct methanol feed fuel cell and system |
| US5599638A (en) | 1993-10-12 | 1997-02-04 | California Institute Of Technology | Aqueous liquid feed organic fuel cell using solid polymer electrolyte membrane |
| US5677074A (en) * | 1996-06-25 | 1997-10-14 | The Dais Corporation | Gas diffusion electrode |
| US6127060A (en) * | 1998-06-17 | 2000-10-03 | Aer Energy Resources, Inc. | Recharge catalyst with thin film low corrosion coating, metal-air electrode including said catalyst and methods for making said catalyst and electrode |
| US6069107A (en) * | 1998-06-17 | 2000-05-30 | Aer Energy Resources, Inc. | Recharge catalyst with thin film carbon coating, metal-air electrode including said catalyst and methods for making said catalyst and electrode |
| US6291090B1 (en) | 1998-09-17 | 2001-09-18 | Aer Energy Resources, Inc. | Method for making metal-air electrode with water soluble catalyst precursors |
| US7022426B2 (en) * | 2000-09-22 | 2006-04-04 | Honda Giken Kogyo Kabushiki Kaisha | Solid polymer fuel cell |
| US20050053818A1 (en) * | 2002-03-28 | 2005-03-10 | Marc St-Arnaud | Ion exchange composite material based on proton conductive functionalized inorganic support compounds in a polymer matrix |
| US9735441B2 (en) | 2010-09-30 | 2017-08-15 | Audi Ag | Hot pressed, direct deposited catalyst layer |
Family Cites Families (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| BE636588A (ja) * | 1962-08-28 | |||
| US3322576A (en) * | 1963-10-28 | 1967-05-30 | Studebaker Corp | Plural coated fuel cells electrode and electroplating method for making same |
| US3531329A (en) * | 1966-11-07 | 1970-09-29 | Gulf Research Development Co | Fuel cell anode composition and method of preparation |
| US3676222A (en) * | 1970-09-10 | 1972-07-11 | Monsanto Res Corp | Conductive carbon membrane electrode |
| US4293396A (en) * | 1979-09-27 | 1981-10-06 | Prototech Company | Thin carbon-cloth-based electrocatalytic gas diffusion electrodes, and electrochemical cells comprising the same |
-
1992
- 1992-09-22 JP JP04277958A patent/JP3103444B2/ja not_active Expired - Fee Related
-
1993
- 1993-09-22 US US08/125,636 patent/US5453332A/en not_active Expired - Fee Related
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2002054514A1 (en) * | 2000-12-28 | 2002-07-11 | Sony Corporation | Gas diffusive electrode, electroconductive ion conductor, their manufacturing method, and electrochemical device |
| JPWO2002054514A1 (ja) * | 2000-12-28 | 2004-05-13 | ソニー株式会社 | ガス拡散性電極、導電性イオン伝導体及びこれらの製造方法、並びに電気化学デバイス |
| JP2007317658A (ja) * | 2006-05-15 | 2007-12-06 | Gm Global Technology Operations Inc | 膜電極アッセンブリの性能を最適化するための制御パラメータ |
| JP2017188269A (ja) * | 2016-04-04 | 2017-10-12 | トヨタ自動車株式会社 | 燃料電池用触媒層の製造方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP3103444B2 (ja) | 2000-10-30 |
| US5453332A (en) | 1995-09-26 |
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