JPH0697612B2 - 燃料電池用電極の製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、固体高分子電解質型（SPE型）の燃料電池に
用いる電極の製造方法に関する。

〔従来の技術〕

燃料電池は電解質の種類によって分類されているが、電
解質がカチオン交換膜あるいはアニオン交換膜などの固
体高分子で構成される燃料電池は固体高分子電解質型
（SPE型:Solid Polymer Electolyte）と呼ばれて他の燃
料電池と区別されている。

このSPE型燃料電池に用いられる電極の製造方法には、
カーボン粉末と触媒粉末にバインダーおよび撥水剤とし
て機能するポリテトラフルオロエチレンを混合して固体
高分子電解質とともにホットプレスする方法、固体高分
子電解質となるイオン交換膜の表面に化学メッキ法で触
媒金属を析出させる方法が知られているが、後者はカー
ボンあるいは酸化物などの添加成分を結合しにくい難点
があるため前者のホットプレス法が主流となっている。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながら、カーボン粉末、白金触媒およびポリテト
ラフルオロエチレンの三成分を原料としてホットプレス
法で製造した電極は、気孔率が低く、気孔径も一定化し
ない問題点がある。このため、電極材料として圧損が大
きく、ガス流路を別に形成する必要が生じるなどの関係
で、効率およびコンパクト化の点で不利な面がある。

したがって、本発明の目的はカーボン粉末、白金触媒お
よびポリテトラフルオロエチレンを主体成分として、優
れた気孔率と均質な気孔径を備えるシート状のSPE型燃
料電池用電極を製造するための方法を提供するところに
ある。

〔課題を解決するための手段〕

上記の目的を達成するための本発明による燃料電池用電
極の製造方法は、カーボン粉末、白金触媒およびポリテ
トラフルオロエチレン（PTFE）からなる成分系に、表面
を炭素膜で被覆した炭化けい素ウイスカーを加えて混練
し、混練物をシート化したのち熱処理、イオン交換樹脂
処理を施すことを構成上の特徴とするものである。

カーボン粉末としては、比表面積が大きくストラクチャ
ーの発達した導電性のカーボンブラックが好適に使用さ
れる。白金触媒には、粒径0.5〜1.0μｍの白金黒が用い
られる。ポリテトラフルオロエチレン（PTFE）はバイン
ダーおよび撥水剤として機能する成分であるが、本発明
ではこれを気孔形成剤としての利用が図られる。このた
め、剪断力を加えることにより繊維化する特性をもつポ
リテトラフルオロエチレンを選択使用することが望まし
い態様となる。繊維化可能なポリテトラフルオロエチレ
ンとしては、例えば三井デュポンフロロケミカル（株）
製の“テフロンK-10J"、ダイキン工業（株）製の“ポリ
フロンF-103"“F-202"等を挙げることができる。

これらの成分系に加えられる表面を炭素膜で被覆した炭
化けい素ウイスカーは、炭化けい素ウイスカーをフェノ
ール系樹脂、フラン系樹脂のような高炭化性の樹脂溶液
やピッチを有機溶媒に溶かした溶液などに分散させたの
ち濾過、乾燥し、これを不活性雰囲気下で1800℃程度の
温度域で焼成処理することによって形成することができ
る。

使用する炭化けい素ウイスカーは可及的に直径およびア
スペクト比の均等なものであることがよく、とくに直径
0.3〜0.6μｍ、長さ30〜60μｍの性状範囲を選択するこ
とが好ましい。また、表面を炭素膜で被覆した炭化けい
素ウイスカーの添加量は、カーボン粉末、白金触媒およ
びポリテトラフルオロエチレンの成分量に対し100〜300
重量％の範囲に設定することが望ましく、この範囲を外
れると気孔率を向上させる効果が減退する。

上記の原料成分は、捏合機のような混練装置に入れて十
分な剪断力を与えながら混練する。この際、混練助剤と
して流動パラフィン、液状ポリエチレングリコール等を
添加することができる。

混練物のシート化は、通常の抄紙法、ドクターブレード
法のようなシート化手段を用いておこなうことができ
る。

成形されたシートは、ついで不活性気流中で340℃前後
の温度で熱処理し、必要に応じてプレスする。このシー
トには最終的にイオン交換樹脂処理が施される。イオン
交換樹脂処理は、スチレン‐ジビニルベンゼンスルフォ
ン酸粉末、パーフルオロカーボンスルフォン酸の低級脂
肪族アルコールなどと水との混合溶媒溶液（ナフィオン
溶液）を上記シートに含浸する方法によっておこなわれ
る。

〔作用〕

本発明において原料成分として添加される微小繊維状の
炭化けい素ウイスカーは、組織の気孔形成化に機能し、
表面層の炭素膜が電極の性能向上に寄与する。とくに繊
維化性のポリテトラフルオロエチレンを使用した場合に
は、これが混練過程の剪断力で繊維化して上記した炭化
けい素ウイスカーによる気孔形成化を助長するととも
に、相互の絡み現象により多孔組織を強化する作用を発
揮する。また、ポリテトラフルオロエチレンの繊維化時
にはカーボンブラックが繊維表面に付着してネットを形
成するため、導電性を増大させる働きもなす。

これらの相乗的な作用を介して優れた気孔率と均質な粒
子径を有する高機能性のシート電極が形成される。

また、得られたシートは適度の柔軟性を有しており、セ
ル組立の面でも有利となる。

〔実施例〕

以下、本発明の実施例を比較例と対比して説明する。

実施例１〜６ （１）直径0.3〜0.6μｍ、長さ30〜60μｍの炭化けい素
ウイスカー50gをフェノール樹脂〔群栄化学（株）製、
“PGA-4508"〕のエタノール溶液500mlに投入して十分に
攪拌分散させたのち濾過し、100〜150℃で２時間乾燥し
た。ついでこれをアルゴンガス気流中で30分間焼成して
樹脂成分を炭化し、表面に炭素膜を形成した。

各例の変更条件は、第１表のとおりである。

（２）上記の表面に炭素膜を被覆した炭化けい素ウイス
カー25gを、導電性カーボンブラック〔東海カーボン
（株）製、“トーカブラック”〕8.0g、粒径0.5〜1.0μ
ｍの白金黒2.5gおよびポリテトラフルオロエチレン〔ダ
イキン工業（株）製、“ポリフロンF-104"〕2.0gととも
にエタノール100mlに入れ、超音波をかけながら５分間
保持して均一に混合した。混合物を小型捏合機に投入
し、助剤として流動パラフィンおよび液状ポリエチレン
グリコール25gを添加して混練した。この段階でポリテ
トラフルオロエチレンは繊維化した。

助剤をトルエンで一旦抽出除去したのちカーターミキサ
ーで解体し、再びエタノール200ml中で超音波により十
分に分散した。ついで分散液を、35μｍのナイロン網を
用いて抄紙してシートに成形した。このシートを50〜80
℃で乾燥後、アルゴン気流中で330〜350℃の温度域で約
１時間熱処理し、さらに加圧プレスして縦横100mm、厚
さ0.15mmのシートに作成した。

このシートをパーフルオロカーボンスルフォン酸の低級
脂肪族アルコールによる５％水溶液に浸漬し、100℃以
下の温度で乾燥してSPE型燃料電池用の電極を製造し
た。

このようにして得られた各電極の特性ならびにセル性能
を第２表に示した。

比較例１〜２ 実施例と同一の導電性カーボンブラック25.0g、白金黒
粉末2.5g、ポリテトラフルオロエチレン6.2gを成分系と
し、以後の工程を実施例と同一にして２種類のSPE型燃
料電池用電極を作成した。

この電極の特性ならびにセル性能を、第２表に併せて示
した。

〔発明の効果〕 本発明によれば、常に気孔率が大きく気孔径が揃った高
強度で適度の柔軟性を備えるシート性状の固体高分子電
解質型（SPE型）燃料電池用電極を容易に製造すること
が可能となる。したがって、組織的にガス拡散性に優れ
ているから、ガス流路を介設することなしに高度の電池
効率を得ることができる。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】カーボン粉末、白金触媒およびポリテトラ
   フルオロエチレン（PTFE）からなる成分系に、表面を炭
   素膜で被覆した炭化けい素ウイスカーを加えて混練し、
   混練物をシート化したのち熱処理、イオン交換樹脂処理
   を施すことを特徴とする燃料電池用電極の製造方法。
2. 【請求項２】剪断力を加えることにより繊維化する特性
   のポリテトラフルオロエチレンを用いる請求項１記載の
   燃料電池用電極の製造方法。