JPH06150937A - 固体高分子型燃料電池 - Google Patents
固体高分子型燃料電池Info
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- JPH06150937A JPH06150937A JP4298462A JP29846292A JPH06150937A JP H06150937 A JPH06150937 A JP H06150937A JP 4298462 A JP4298462 A JP 4298462A JP 29846292 A JP29846292 A JP 29846292A JP H06150937 A JPH06150937 A JP H06150937A
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-
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- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
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- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
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- Inert Electrodes (AREA)
- Fuel Cell (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【構成】 プロトン導伝材を含み、該プロトン導伝材の
ガラス転位温度以上から350℃の温度で熱処理したガ
ス拡散電極を用いる固体高分子型燃料電池。 【効果】 本発明により、出力性能が大きく向上する。
ガラス転位温度以上から350℃の温度で熱処理したガ
ス拡散電極を用いる固体高分子型燃料電池。 【効果】 本発明により、出力性能が大きく向上する。
Description
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、固体高分子電解質型燃
料電池(以下、PEFCと称する。)に関するものであ
る。
料電池(以下、PEFCと称する。)に関するものであ
る。
【0002】
【従来の技術】低公害性と高効率性という特徴により、
燃料電池が注目されている。燃料電池は水素やメタノー
ル等の燃料を酸素又は空気を用いて電気化学的に酸化
し、燃料の化学エネルギーを電気エネルギーとして取り
出すものである。用いる電解質の種類によりリン酸型、
溶融炭酸塩型、固体酸化物型等に分類される。この中
で、低温作動性と高出力密度という特徴から、近年特に
PEFCが注目されてきた。
燃料電池が注目されている。燃料電池は水素やメタノー
ル等の燃料を酸素又は空気を用いて電気化学的に酸化
し、燃料の化学エネルギーを電気エネルギーとして取り
出すものである。用いる電解質の種類によりリン酸型、
溶融炭酸塩型、固体酸化物型等に分類される。この中
で、低温作動性と高出力密度という特徴から、近年特に
PEFCが注目されてきた。
【0003】図2を用いてPEFCの基本構造について
説明する。図に示すように電池本体は固体高分子電解質
膜の両側にガス拡散電極が接合されることにより構成さ
れている。ガス拡散電極には触媒が担持されており、電
池反応は固体高分子電解質膜とガス拡散電極の接合界面
にて生じる。例えば、ガス拡散電極2に水素ガスを流す
と膜との接合界面で、2H2 →4H+ +4e- の反応が
生じる。H+ は固体高分子電解質膜3を通って対極のガ
ス拡散電極1に移動する。このガス拡散電極1に酸素ガ
スを流すと、O2 +4H+ +4e- →2H2 Oの反応が
膜と電極の界面で生じ、水が生成すると同時に電気エネ
ルギーが得られる。
説明する。図に示すように電池本体は固体高分子電解質
膜の両側にガス拡散電極が接合されることにより構成さ
れている。ガス拡散電極には触媒が担持されており、電
池反応は固体高分子電解質膜とガス拡散電極の接合界面
にて生じる。例えば、ガス拡散電極2に水素ガスを流す
と膜との接合界面で、2H2 →4H+ +4e- の反応が
生じる。H+ は固体高分子電解質膜3を通って対極のガ
ス拡散電極1に移動する。このガス拡散電極1に酸素ガ
スを流すと、O2 +4H+ +4e- →2H2 Oの反応が
膜と電極の界面で生じ、水が生成すると同時に電気エネ
ルギーが得られる。
【0004】上述のように、電解質膜を介して該膜とガ
ス拡散電極の界面で、かつ触媒の存在する所で電気化学
反応が生じることから、界面の広さが出力性能に直接影
響を与えることになるが、界面を広げるためにプロトン
導伝材を溶媒に溶かして電極表面に塗布してからイオン
交換膜と接合したり、電極構成カーボンに粉状の固体高
分子電解質をあらかじめ混合した後に電極作成したり
(特開昭61−67787号公報、特開昭61−677
88号公報)の工夫がされている。これらの電極とイオ
ン交換膜の接合は加熱しながら圧力をかけて行われる。
ス拡散電極の界面で、かつ触媒の存在する所で電気化学
反応が生じることから、界面の広さが出力性能に直接影
響を与えることになるが、界面を広げるためにプロトン
導伝材を溶媒に溶かして電極表面に塗布してからイオン
交換膜と接合したり、電極構成カーボンに粉状の固体高
分子電解質をあらかじめ混合した後に電極作成したり
(特開昭61−67787号公報、特開昭61−677
88号公報)の工夫がされている。これらの電極とイオ
ン交換膜の接合は加熱しながら圧力をかけて行われる。
【0005】しかしながら、その出力性能が不充分であ
り、さらなる向上が切望されている。
り、さらなる向上が切望されている。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】本発明は出力性能に優
れた燃料電池を提供することを目的とする。
れた燃料電池を提供することを目的とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】本発明者らはイオン交換
膜と電極との接合法を鋭意検討した結果、水性媒体に溶
解したプロトン導伝材を電極に含浸する、あるいは電極
成形時に添加してから電極を成形することで電極全体に
分布させ、ついでプロトン導伝材のガラス転位点以上の
温度で熱処理してから接合すると出力を大きくとれるこ
とを見出し、本発明に至った。
膜と電極との接合法を鋭意検討した結果、水性媒体に溶
解したプロトン導伝材を電極に含浸する、あるいは電極
成形時に添加してから電極を成形することで電極全体に
分布させ、ついでプロトン導伝材のガラス転位点以上の
温度で熱処理してから接合すると出力を大きくとれるこ
とを見出し、本発明に至った。
【0008】すなわち、本発明は、電解質であるイオン
交換膜と、触媒を担持したカーボン材およびフッ素樹脂
系結着剤とからなるガス拡散電極とを接合した燃料電池
において、上記ガス拡散電極としてプロトン導伝材を含
有せしめ、かつ、上記イオン交換膜に接合する前にプロ
トン導伝材のガラス転位点以上から350℃の温度で熱
処理して得られるガス拡散電極を用いることを特徴とす
る固体高分子型燃料電池を提供するものである。
交換膜と、触媒を担持したカーボン材およびフッ素樹脂
系結着剤とからなるガス拡散電極とを接合した燃料電池
において、上記ガス拡散電極としてプロトン導伝材を含
有せしめ、かつ、上記イオン交換膜に接合する前にプロ
トン導伝材のガラス転位点以上から350℃の温度で熱
処理して得られるガス拡散電極を用いることを特徴とす
る固体高分子型燃料電池を提供するものである。
【0009】本発明において電解質として用いるイオン
交換膜は含フッ素高分子を骨格とし、スルホン酸基およ
び/又はカルボキシル基を有するものであり、下記化1
で示される。
交換膜は含フッ素高分子を骨格とし、スルホン酸基およ
び/又はカルボキシル基を有するものであり、下記化1
で示される。
【0010】
【化1】
【0011】電極に含有せしめるプロトン導伝材はプロ
トンを導伝する材料であれば良く、特にスルホン酸基お
よび/又はカルボキシル基を有するパーフルオロカーボ
ン、フルオロハイドロカーボンが好ましく、上記化1で
示す化合物がその例である。これらは、アルコール類、
アルコールと水の混合物、ジメチルアセトアミド等の極
性溶媒などの水溶性媒体に溶解して用いる。
トンを導伝する材料であれば良く、特にスルホン酸基お
よび/又はカルボキシル基を有するパーフルオロカーボ
ン、フルオロハイドロカーボンが好ましく、上記化1で
示す化合物がその例である。これらは、アルコール類、
アルコールと水の混合物、ジメチルアセトアミド等の極
性溶媒などの水溶性媒体に溶解して用いる。
【0012】本発明のガス拡散電極は触媒金属の微粒子
を担持したカーボンおよび結着剤としてのフッ素樹脂系
化合物を含む多孔性物である。触媒金属としては、水素
の酸化反応あるいは酸素の還元反応に触媒作用を有する
ものであれば良く、例えば、鉛、鉄、マンガン、コバル
ト、クロム、ガリウム、バナジウム、タングステン、ル
テニウム、イリジウム、パラジウム、ロジウム、又はそ
れらの合金から選択することができる。
を担持したカーボンおよび結着剤としてのフッ素樹脂系
化合物を含む多孔性物である。触媒金属としては、水素
の酸化反応あるいは酸素の還元反応に触媒作用を有する
ものであれば良く、例えば、鉛、鉄、マンガン、コバル
ト、クロム、ガリウム、バナジウム、タングステン、ル
テニウム、イリジウム、パラジウム、ロジウム、又はそ
れらの合金から選択することができる。
【0013】触媒粒径は10〜300Åが良く、好まし
くは15〜100Åである。10Å未満のものは現実的
に作成が困難であり、一方300Åより大きいと触媒性
能が低下する。結着剤であるフッ素樹脂としてはテフロ
ン系化合物で融点が400℃以下の物が適しており、好
ましくはポリテトラフルオロエチレン、テトラフルオロ
エチレン−パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合
体、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレ
ン共重合体である。
くは15〜100Åである。10Å未満のものは現実的
に作成が困難であり、一方300Åより大きいと触媒性
能が低下する。結着剤であるフッ素樹脂としてはテフロ
ン系化合物で融点が400℃以下の物が適しており、好
ましくはポリテトラフルオロエチレン、テトラフルオロ
エチレン−パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合
体、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレ
ン共重合体である。
【0014】カーボンとしてはファーネスブラック、チ
ャンネルブラック、アセチレンブラック等のカーボンブ
ラック、活性炭、黒鉛等があり、単独あるいは混合して
使用できる。カーボンへの触媒の担持は、粉末状カーボ
ンに担持しても良いし、電極として成形後に担持しても
良い。触媒担持量は、電極成形後において0.01〜1
0mg/cm2 であり、好ましくは0.1〜0.5mg
/cm2 である。触媒が0.01mg/cm2 未満では
性能が低下し、一方5mg/cm2 より大では触媒によ
るコストが大きい。
ャンネルブラック、アセチレンブラック等のカーボンブ
ラック、活性炭、黒鉛等があり、単独あるいは混合して
使用できる。カーボンへの触媒の担持は、粉末状カーボ
ンに担持しても良いし、電極として成形後に担持しても
良い。触媒担持量は、電極成形後において0.01〜1
0mg/cm2 であり、好ましくは0.1〜0.5mg
/cm2 である。触媒が0.01mg/cm2 未満では
性能が低下し、一方5mg/cm2 より大では触媒によ
るコストが大きい。
【0015】プロトン導伝材は電極原料粉末に混合した
後成形してもよいし、電極成形後に電極の触媒を担持し
ている側から含浸してもよい。また、電極のカーボンは
触媒を担持したカーボン部分だけから成っていてもよい
し、担持したカーボン部と担持しないカーボン部の混合
あるいは積層でもよい。。さらに、この電極とカーボン
ファイバーを用いたクロスの複合物として使用してもよ
い。
後成形してもよいし、電極成形後に電極の触媒を担持し
ている側から含浸してもよい。また、電極のカーボンは
触媒を担持したカーボン部分だけから成っていてもよい
し、担持したカーボン部と担持しないカーボン部の混合
あるいは積層でもよい。。さらに、この電極とカーボン
ファイバーを用いたクロスの複合物として使用してもよ
い。
【0016】プロトン導伝材を含む電極の熱処理は、ホ
ットプレス機や公知の加熱炉を使用して行われ、処理温
度は、プロトン導伝材のガラス転位点から350℃まで
である。ガラス転位点以下の温度では、その効果が小さ
く、また350℃以上ではプロトン導伝材の分解、劣化
が生じ、逆に性能が低下する。電極とイオン交換膜を接
合する時あるいは接合後に170℃以上の温度にすると
該膜が非常に破れやすくなり、長期使用時および圧力、
温度等の使用条件の変更時に、対応が難しくなる。
ットプレス機や公知の加熱炉を使用して行われ、処理温
度は、プロトン導伝材のガラス転位点から350℃まで
である。ガラス転位点以下の温度では、その効果が小さ
く、また350℃以上ではプロトン導伝材の分解、劣化
が生じ、逆に性能が低下する。電極とイオン交換膜を接
合する時あるいは接合後に170℃以上の温度にすると
該膜が非常に破れやすくなり、長期使用時および圧力、
温度等の使用条件の変更時に、対応が難しくなる。
【0017】熱処理の処理時間は所定温度に達してから
10秒〜1時間であり、好ましくは1分〜30分であ
る。10秒より短い時間では熱処理操作の精度が低くな
り、一方、1時間より長くなると設定温度によっては性
能の低下の原因となる。膜とガス拡散電極の接合は加
温、加圧できる装置を用いて実施される。特定の装置は
なく、一般的にホットプレス機、ロールプレス機等が用
いられる。プレス温度は使用した電解質膜のガラス転位
温度以上であれば良く、好ましくは120〜180℃で
ある。プレス圧力は使用するガス拡散電極の固さに依存
し、約5〜200Kg/cm2 であり、好ましくは20
〜100Kg/cm2 である。5Kg/cm2 より小さ
い圧力では膜と電極の接着が不充分になり、一方200
Kg/cm2 より大きい圧力では電極空孔の減少が大き
い。
10秒〜1時間であり、好ましくは1分〜30分であ
る。10秒より短い時間では熱処理操作の精度が低くな
り、一方、1時間より長くなると設定温度によっては性
能の低下の原因となる。膜とガス拡散電極の接合は加
温、加圧できる装置を用いて実施される。特定の装置は
なく、一般的にホットプレス機、ロールプレス機等が用
いられる。プレス温度は使用した電解質膜のガラス転位
温度以上であれば良く、好ましくは120〜180℃で
ある。プレス圧力は使用するガス拡散電極の固さに依存
し、約5〜200Kg/cm2 であり、好ましくは20
〜100Kg/cm2 である。5Kg/cm2 より小さ
い圧力では膜と電極の接着が不充分になり、一方200
Kg/cm2 より大きい圧力では電極空孔の減少が大き
い。
【0018】ホットプレス時に電極の厚さより薄いスペ
ーサーを入れると効果が大きい。また、水の共存下で電
解質膜を湿潤させた状態でホットプレスするのもよい。
必要であれば接合時に電極あるいはイオン交換膜あるい
は両者にプロトン導伝材を塗布してから接合しても良
い。以下に実施例に基づいて、更に詳細に説明するが、
本発明はこの実施例に限定されるものではない。
ーサーを入れると効果が大きい。また、水の共存下で電
解質膜を湿潤させた状態でホットプレスするのもよい。
必要であれば接合時に電極あるいはイオン交換膜あるい
は両者にプロトン導伝材を塗布してから接合しても良
い。以下に実施例に基づいて、更に詳細に説明するが、
本発明はこの実施例に限定されるものではない。
【0019】
【実施例】面積が10cm2 のガス拡散電極(米国E−
TEK Inc.社製)白金担持量0.38mg/cm
2 を2枚用意し、一方、パーフルオロカーボンイオン交
換膜 Aciplex〔旭化成工業(株)製 商標 当
量重量1000g/当量〕をエタノールと水の重量で5
0対50混合溶媒に溶解し、5重量%の溶液とした。用
意したガス拡散電極にAciplex溶液0.15ml
を含浸した後、70℃にて2時間減圧乾燥した。得られ
た電極の重量測定より塗布したAciplex成分量は
0.6mg/cm2 であった。
TEK Inc.社製)白金担持量0.38mg/cm
2 を2枚用意し、一方、パーフルオロカーボンイオン交
換膜 Aciplex〔旭化成工業(株)製 商標 当
量重量1000g/当量〕をエタノールと水の重量で5
0対50混合溶媒に溶解し、5重量%の溶液とした。用
意したガス拡散電極にAciplex溶液0.15ml
を含浸した後、70℃にて2時間減圧乾燥した。得られ
た電極の重量測定より塗布したAciplex成分量は
0.6mg/cm2 であった。
【0020】得られた電極を0.2mm厚みのポリテト
ラフルオロエチレンフィルムにはさみ、ホットプレス器
にて230℃、90秒間熱処理した。その後ポリテトラ
フルオロフィルムから取り出し、4ミルの厚みのAci
plex膜をこの電極で挟んで、ホットプレス器にて1
40℃、90秒間接合処理を行った。得られた接合体を
図3に示す単セル評価装置にて評価を行った。評価圧力
は常圧、セル温度55℃、加湿温度70℃、使用ガスは
酸素、水素で行った。水素ガス流量100ml/mi
n.、酸素ガス流量50ml/min.である。この結
果、0.7A/cm2 の電流密度における出力電圧は
0.58V、限界電流密度1.0A/cm2 であった。
得られた電流密度対電圧曲線を図1に示す。
ラフルオロエチレンフィルムにはさみ、ホットプレス器
にて230℃、90秒間熱処理した。その後ポリテトラ
フルオロフィルムから取り出し、4ミルの厚みのAci
plex膜をこの電極で挟んで、ホットプレス器にて1
40℃、90秒間接合処理を行った。得られた接合体を
図3に示す単セル評価装置にて評価を行った。評価圧力
は常圧、セル温度55℃、加湿温度70℃、使用ガスは
酸素、水素で行った。水素ガス流量100ml/mi
n.、酸素ガス流量50ml/min.である。この結
果、0.7A/cm2 の電流密度における出力電圧は
0.58V、限界電流密度1.0A/cm2 であった。
得られた電流密度対電圧曲線を図1に示す。
【0021】
【比較例】実施例と全く同じ操作にてAciplex溶
液塗布電極を得た。これを用いて、230℃の熱処理を
行わずに、Aciplex膜(当量重量1000g/当
量、4ミル)をはさみ、ホットプレス器にて140℃、
90秒間接合処理を実施した。実施例と同じ条件にて単
セル評価を行った。
液塗布電極を得た。これを用いて、230℃の熱処理を
行わずに、Aciplex膜(当量重量1000g/当
量、4ミル)をはさみ、ホットプレス器にて140℃、
90秒間接合処理を実施した。実施例と同じ条件にて単
セル評価を行った。
【0022】0.7A/cm2 の電流密度における出力
電圧は0.45Vであり、限界電流密度は0.75A/
cm2 であった。出力特性を図1に併せて示した。
電圧は0.45Vであり、限界電流密度は0.75A/
cm2 であった。出力特性を図1に併せて示した。
【0023】
【発明の効果】本発明の燃料電池では、出力性能が大き
く向上している。
く向上している。
【図1】実施例および比較例の評価結果の電流密度対電
圧を示すグラフ図である。
圧を示すグラフ図である。
【図2】固体高分子電解質型燃料電池の接合体を示す説
明図である。
明図である。
【図3】実施例および比較例で用いた接合体評価装置を
示す説明図である。
示す説明図である。
1.酸素極ガス拡散電極 2.水素極ガス拡散電極 3.固体高分子電解質膜 4.燃料電池セル 5.加湿器 6.純水
Claims (1)
- 【請求項1】 電解質であるイオン交換膜と、触媒を担
持したカーボン材およびフッ素樹脂系結着剤とからなる
ガス拡散電極とを接合した燃料電池において、上記ガス
拡散電極として、プロトン導伝材を含有せしめ、かつ、
上記イオン交換膜に接合する前にプロトン導伝材のガラ
ス転位点以上から350℃の温度範囲で熱処理して得ら
れるガス拡散電極を用いることを特徴とする固体高分子
型燃料電池。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP4298462A JPH06150937A (ja) | 1992-11-09 | 1992-11-09 | 固体高分子型燃料電池 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP4298462A JPH06150937A (ja) | 1992-11-09 | 1992-11-09 | 固体高分子型燃料電池 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH06150937A true JPH06150937A (ja) | 1994-05-31 |
Family
ID=17860021
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP4298462A Withdrawn JPH06150937A (ja) | 1992-11-09 | 1992-11-09 | 固体高分子型燃料電池 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH06150937A (ja) |
Cited By (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2001176524A (ja) * | 1999-12-21 | 2001-06-29 | Asahi Glass Co Ltd | 固体高分子電解質型燃料電池 |
| JP2005044815A (ja) * | 2004-10-05 | 2005-02-17 | Asahi Glass Co Ltd | 固体高分子電解質型燃料電池の製造方法 |
| JP2007179852A (ja) * | 2005-12-27 | 2007-07-12 | Nissan Motor Co Ltd | 高耐久性燃料電池 |
| WO2008032597A1 (en) * | 2006-09-13 | 2008-03-20 | Toagosei Co., Ltd. | Membrane electrode assembly and method for producing the same |
| US7425384B2 (en) | 1993-10-12 | 2008-09-16 | California Institute Of Technology | Direct methanol feed fuel cell and system |
| US7445859B2 (en) | 1993-10-12 | 2008-11-04 | California Institute Of Technology | Organic fuel cell methods and apparatus |
| JP2013051051A (ja) * | 2011-08-30 | 2013-03-14 | Toyota Motor Corp | 電解質溶液の製造方法、触媒ペースト、および触媒ペーストの製造方法 |
-
1992
- 1992-11-09 JP JP4298462A patent/JPH06150937A/ja not_active Withdrawn
Cited By (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US7425384B2 (en) | 1993-10-12 | 2008-09-16 | California Institute Of Technology | Direct methanol feed fuel cell and system |
| US7445859B2 (en) | 1993-10-12 | 2008-11-04 | California Institute Of Technology | Organic fuel cell methods and apparatus |
| US7470478B2 (en) | 1993-10-12 | 2008-12-30 | California Institute Of Technology | Direct methanol feed fuel cell and system |
| US7488548B2 (en) | 1993-10-12 | 2009-02-10 | California Institute Of Technology | Direct methanol feed fuel cell and system |
| JP2001176524A (ja) * | 1999-12-21 | 2001-06-29 | Asahi Glass Co Ltd | 固体高分子電解質型燃料電池 |
| JP2005044815A (ja) * | 2004-10-05 | 2005-02-17 | Asahi Glass Co Ltd | 固体高分子電解質型燃料電池の製造方法 |
| JP2007179852A (ja) * | 2005-12-27 | 2007-07-12 | Nissan Motor Co Ltd | 高耐久性燃料電池 |
| WO2008032597A1 (en) * | 2006-09-13 | 2008-03-20 | Toagosei Co., Ltd. | Membrane electrode assembly and method for producing the same |
| JP2013051051A (ja) * | 2011-08-30 | 2013-03-14 | Toyota Motor Corp | 電解質溶液の製造方法、触媒ペースト、および触媒ペーストの製造方法 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A300 | Withdrawal of application because of no request for examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A300 Effective date: 20000201 |