JPH08185867A - 固体高分子型燃料電池用電極及びその製造方法 - Google Patents

固体高分子型燃料電池用電極及びその製造方法

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JPH08185867A
JPH08185867A JP6339777A JP33977794A JPH08185867A JP H08185867 A JPH08185867 A JP H08185867A JP 6339777 A JP6339777 A JP 6339777A JP 33977794 A JP33977794 A JP 33977794A JP H08185867 A JPH08185867 A JP H08185867A
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Tokyo Gas Co Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【構成】触媒粒子、高分子電解質及びポリテトラフルオ
ロエチレンを含む触媒層を有する固体高分子型燃料電池
用電極であって、触媒粒子とポリテトラフルオロエチレ
ンディスパ−ジョンの混合液を凍結乾燥により乾燥した
後、熱処理してなることを特徴とする固体高分子型燃料
電池用電極及びその製造方法。 【効果】触媒層におけるポリテトラフルオロエチレンの
使用量を少なくして、従来と同程度又はそれ以上の電極
特性を得ることができ、またこれを使用した固体高分子
型燃料電池の性能を大幅に改善することができる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、固体高分子型燃料電池
用電極及びその製造方法に関し、より具体的には、触媒
粒子、高分子電解質及びポリテトラフルオロエチレンを
含む触媒層を有する固体高分子型燃料電池用電極及びこ
の製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】固体高分子電解質型燃料電池は、イオン
伝導体すなわち電解質が固体で且つ高分子である点に特
徴を有するものであるが、その固体高分子電解質として
は具体的にはイオン交換樹脂膜等が使用され、この電解
質膜を挟んで負極及び正極の両電極を配置し、例えば負
極側に水素を、また正極側には酸素又は空気を供給する
ことにより電気化学反応を起こさせ、電気を発生させる
ものである。
【0003】その固体高分子電解質膜に接する負極及び
正極の両電極としては、その反応を促進させるため、そ
の電極中に白金、パラジウムその他の触媒が添加、使用
される形式のものがあり、この形式の電極の製造法とし
てはこれまで種々のものが提案されてきている。例えば
米国特許第3134697号では、触媒粒子をイオン交
換樹脂と混合して電極シ−トとし、これを固体高分子電
解質としてのイオン交換樹脂膜に熱圧着することにより
製造されている。
【0004】また、これと同じ系統に属する米国特許第
3297484号及び同第3432355号には、白金
ブラック、パラジウムブラック等の触媒粒子をポリテト
ラフルオロエチレンと混合して電極シ−トとし、これを
イオン交換樹脂膜に熱圧着する方法が記載されている
が、これらの技術において、その触媒粒子にそのように
ポリテトラフルオロエチレンを混合するのは、その電極
シ−ト中で触媒層を形成する触媒成分を結合、結着さ
せ、併せて撥水性を付与するためのものである。
【0005】しかし、このように固体高分子電解質膜と
電極シ−トとを熱圧着等によりそのまま接合するだけで
は、反応サイト(反応域)が電解質膜と電極との二次元
的な界面に極限され、実質的な作用面積が小さい。この
ためこれを改善する手法の一つとして、固体高分子電解
質膜としてのスチレン−ジビニルベンゼンスルホン酸樹
脂膜に、触媒金属を担持したカ−ボン粉末とスチレン−
ジビニルスルホン酸樹脂粉末とポリスチレン結着剤との
混合物からなる電子−イオン混合伝導体層を接合するこ
とにより、電極材料と固体電解質膜材料との接点を多く
し、反応サイトの三次元化を図ることが提案されてい
る。
【0006】例えば、「電気化学」53、No.10
(1985)、P.812〜817では、上記のように
スチレン−ジビニルベンゼン系のイオン交換樹脂膜を電
解質とした燃料電池においては、電子−イオン混合伝導
体層を設けたにしても、ここから取り出し得る電流密度
が低い等の難点がある旨指摘した上で、これに代わるパ
−フルオロカ−ボンスルホン酸樹脂膜を使用する場合に
ついて、その反応サイトを三次元化し作用面積を上げる
試みが紹介されている。
【0007】これによれば、固体高分子電解質膜とし
て、パ−フルオロカ−ボンスルホン酸樹脂膜の一種であ
るNAFION−117膜(Du Pont社製、商品
名)を使用し、このNAFION膜の片面に無電解メッ
キ法(浸透法)により白金電極を接合して水素極(アノ
−ド)とする一方、この電極の対極を構成する酸素極す
なわちカソ−ド側電極については、概略、以下の工程に
より製作されている。
【0008】まず、触媒粉末として白金ブラック粉末又
は10%の白金を担持したカ−ボン粉末(以下、「白金
担持カ−ボン粉末」という)を使用し、これにNAFI
ON溶液〔パ−フルオロカ−ボンスルホン酸樹脂(H
型)、脂肪族アルコ−ルと水との混合溶媒中5%溶液、
Aldrich Chemical社製、商品名〕等を
種々の混合比で混合する。次いで、上記で得た各混合物
に対してポリテトラフルオロエチレンを水懸濁液状で加
えて混合、混練し、この混練物をロ−ル圧延により圧延
してシ−ト状とし、真空乾燥後、この電極シ−トを固体
高分子電解質としてのNAFION膜に対し温度100
℃、圧力210kg/cm2 でホットプレスするという
ものである。
【0009】そしてそこでは、固体高分子電解質として
のNAFION膜に一体に接合された酸素極にイオン交
換樹脂を混入することにより、電極反応サイトの三次元
化を図り、これにより分極特性を著しく向上させること
ができたと云うものである。図1は、そこで紹介された
その三次元化状態の説明用のモデルであるが、酸素極に
触媒粒子2、ポリテトラフルオロエチレン粒子3、イオ
ン交換樹脂粒子4が混入されるとNAFION膜1だけ
でなく、イオン交換樹脂4も固体電解質として機能し、
これにより触媒粒子と固体電解質との接点が多くなり、
反応サイトが三次元的な広がりをもつことになると説明
されている。
【0010】以上の技術では、その電極シ−トは何れも
電極材料の混練物を圧延等の手法によりシ−ト化するこ
とによって作製されているが、この電極シ−トの作製の
仕方としては、その基材として別途多孔性のペ−パ−又
はシ−トを用い、これに触媒粒子を担持させる形式で行
う態様も行われている。この場合には、例えばそのペ−
パ−又はシ−トとして所定の気孔率及び厚さを有するカ
−ボンペ−パ−を使用し、これに例えばポリテトラフル
オロエチレン系のディスパ−ジョンを含浸させた後、熱
処理をして撥水化し、この撥水化カ−ボンペ−パ−上に
触媒粉末等の触媒層構成成分を付着、担持させるもので
あるが、特開平4−162365号公報はその一例であ
る。
【0011】上記公報の技術は、シ−ト状触媒層構成用
の微粉末として、白金触媒担持のカ−ボンブラック粒子
と触媒無担持のカ−ボンブラック粒子との混合物を用い
る点に特徴を有するもので、これら粒子は高分子電解質
としてのイオン交換樹脂でコ−ティングされている。そ
してここでの電極シ−トは、その基材として撥水化カ−
ボンペ−パ−が使用され、上記コ−ティング触媒粒子及
びポリテトラフルオロエチレンを含む混合液を濾過乾燥
した後、これを撥水化カ−ボンペ−パ−上へ散布し、加
熱下、プレスをすることにより付着させている。
【0012】このように、何れにしても、固体高分子型
燃料電池用電極における触媒層の構成材料として、触媒
粒子、高分子電解質及びポリテトラフルオロエチレンを
用いる場合には、これらの混合懸濁液からその中の溶媒
を抜く操作が必要不可欠である。そしてこの溶媒除去操
作としては、その懸濁液を加熱して溶媒を気化、蒸発さ
せ、またそれらの促進を図るため、その操作を減圧状態
で実施し、しかもこの加熱、減圧操作は、その目的上沸
騰状態で実施されているのが通常である。
【0013】しかし、本発明者は、そのような溶媒除去
操作における、その沸騰状態そのものが、その組成中の
各成分の分布にバラツキ等を生じ、これが電極そのもの
の特性を左右し、延いては電池の出力、持続力その他そ
の性能に微妙に影響している事実をつきとめ、これを回
避し、改善した触媒処理法を先に開発し提案しているが
(特願平5−297279号)、別途そのバラツキ等に
ついてさらに観察を続けているうち、溶媒除去操作中に
触媒粒子が凝集して、その分散状態がくずれ、これが電
極特性を阻害し、電池性能を減殺していることが見い出
された。
【0014】高分子電解質でコ−ティングした触媒粒子
とポリテトラフルオロエチレンとを含む触媒層を有する
電極を組み込んだ固体高分子型燃料電池では、その触媒
粒子が高分子電解質及びガス相と共存し、この三相界面
をより多く確保することにより、電池性能を向上させる
ことができるが、ポリテトラフルオロエチレンは、触媒
粒子の結着剤としての役割を果しているだけではなく、
それ自体撥水性でガス相を確保する効果も奏している
(すなわち電池作動中、例えば燃料水素と酸素との反応
で生成する水による触媒層の濡れを防ぎ、ガス空間を確
保している)。
【0015】しかし前記のような従来技術では、添加
混合したポリテトラフルオロエチレンの熱処理ができな
いため(なお、この「熱処理」によりポリテトラフルオ
ロエチレンの結晶性が向上し、かつ触媒粒子間に、より
均一に存在させることができる)、これによる撥水性が
十分に発揮されず、このためポリテトラフルオロエチレ
ンの混合量を多くする必要があり、それかといって、
その混合量を多くすると、電極の抵抗が大きくなり、
また、安定したポリテトラフルオロエチレンディスパ−
ジョンを得るために、通常、例えばフルオロアルキル化
合物等の界面活性剤が添加されているが、この界面活性
剤がその増量分多く電極中に混入するという問題も生じ
ていた。
【0016】
【発明が解決しようとする課題】そこで本発明は、触媒
粒子、高分子電解質及びポリテトラフルオロエチレンを
含む触媒層における、以上の諸欠点を解決するためにな
されたものであり、触媒粒子とポリテトラフルオロエチ
レンディスパ−ジョンの混合物を、凍結乾燥により乾燥
させ、その後熱処理を行うことにより、少ないポリテト
ラフルオロエチレン添加量でも、その撥水性が従来と同
程度の電極を得ることができ、電池性能についてもより
優れた特性を有する電極及びその製造方法を提供するこ
とを目的とする。
【0017】
【課題を解決するための手段】すなわち、まず本発明
は、触媒粒子、高分子電解質及びポリテトラフルオロエ
チレンを含む触媒層を有する固体高分子型燃料電池用電
極であって、触媒粒子とポリテトラフルオロエチレンデ
ィスパ−ジョンの混合液を凍結乾燥により乾燥した後、
熱処理してなることを特徴とする固体高分子型燃料電池
用電極を提供するものである。
【0018】また本発明は、触媒粒子、高分子電解質及
びポリテトラフルオロエチレンを含む触媒層を有する固
体高分子型燃料電池用電極の製造方法において、触媒粒
子にポリテトラフルオロエチレンディスパ−ジョンを混
合し、この混合液を凍結乾燥により乾燥した後、熱処理
を行うことを特徴とする固体高分子型燃料電池用電極の
製造方法を提供する。
【0019】ここで、上記触媒粒子としては、白金ブラ
ック粉末、白金合金粉末、パラジウムブラック粉末、白
金又はパラジウム担持のカ−ボン粉末、その他燃料電池
の電極用として適用し得る触媒を使用することができ、
また、この触媒粒子のコ−ティングに用いる高分子電解
質としては、各種イオン交換樹脂等が使用できるが、本
発明においては高温において優れた耐熱性を示すフッ素
系イオン交換膜、例えばNAFION110系の膜を使
用する。
【0020】また、本発明で得られる電極用触媒構成材
料は、触媒粒子、この触媒粒子をコ−ティングするため
の高分子電解質及び触媒粒子を結合するためのポリテト
ラフルオロエチレンを含むことになるが、本発明におい
ては、先ず触媒粒子にポリテトラフルオロエチレンディ
スパ−ジョンを混合し、この混合物に本発明に係る凍結
乾燥を適用する必要があり、このため上記高分子電解質
は、凍結乾燥による乾燥を終了し、熱処理をした後に添
加、混合される。
【0021】また、固体高分子型燃料電池用電極は、電
極シ−トとして適用されるのが通常であり、そのシ−ト
化の手法としては、(1)その触媒構成材料を電池本体
としての固体高分子電解質膜に直かに付着させる、
(2)その触媒構成材料を混練物として圧延等によりシ
−ト化する、(3)その触媒構成材料を基材としての多
孔性のペ−パ−又はシ−ト、好ましくは撥水化カ−ボン
ペ−パ−上に付着させる等各種態様で行われるが、本発
明は、これら(1)〜(3)の何れの態様でも実施する
ことができるものである。
【0022】上記態様(1)〜(3)のうち、特に
(3)の態様を採る場合、その撥水化用の材料として
は、特に制限はないが、本発明で結合剤としてポリテト
ラフルオロエチレンを使用する関係上、これと同系統の
材料であるのが好ましい。その同系統の材料とは、ポリ
テトラフルオロエチレンのほか、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(FEP)等そ
の共重合体をも含むものである。またここでの使用溶媒
としては、水、アルコ−ル、或いは両者の混合溶媒その
他、従来採用されているものと特に異なる必要はなく、
この点以上各種成分の量的割合についても同様である。
【0023】また、凍結乾燥法は、湿り材料を凍結し、
真空下で氷を昇華させて乾燥させるもので、従来、主と
して医学、薬学分野における微生物や抗生物質等の物質
の長期保存用や食品工業における保存食品製造用に適用
されているが、本発明においては、この凍結乾燥法を固
体高分子型燃料電池用電極の触媒層構成材料である触媒
粒子とポリテトラフルオロエチレンディスパ−ジョンと
の混合液の乾燥に適用するもので、これにより少ないポ
リテトラフルオロエチレン添加量でも、触媒粒子間の結
合を有効に行えるだけでなく、その撥水性が少なくとも
従来と同程度の電極を得ることができ、延いて優れた電
極特性、電池性能を得ることができるものである。
【0024】次に、本発明に係る電極及びその製造方法
の態様例について述べると、(a)25〜50%白金又
は白金を含む合金を担持した触媒粒子とポリテトラフル
オロエチレンディスパ−ジョンをポリテトラフルオロエ
チレンが触媒全体量中約5〜40重量%となるようにコ
ロイドミル等で混合する。なおこの点、例えば濾過法に
よる場合には約5〜50重量%という範囲でより多く添
加する必要があるが、本発明では凍結乾燥を適用するこ
とにより、少ない添加量で同程度又はそれ以上の効果を
得ることができるものである。(b)次いで、この液を
約−80℃程度に冷やし、表面積がなるべく大きくなる
ように凍結させる。これを凍結乾燥器にて0.1tor
r程度まで真空度を上げ、溶媒を昇華させ、触媒粉末を
得る。
【0025】(c)一方、例えば気孔率75%、厚さ
0.4mmのカ−ボンペ−パ−にFEPディスパ−ジョ
ンを含浸させた後、熱処理を行い、FEPが10〜40
%を占める撥水化カ−ボンペ−パ−を得る。(d)、
(b)で得られた触媒粉末をこの撥水化カ−ボンペ−パ
−上に塗布し、必要ならば適宜加圧成形して、例えば温
度280℃で10時間、360℃で5時間、窒素気流中
で熱処理を行う。(e)、(d)で形成された触媒層に
固体高分子電解質のアルコ−ル溶液を含浸させ、その
後、例えば温度80℃、真空中にて溶媒を除去する。
(f)、以上(a)〜(e)で作製した二個の電極間に
固体高分子電解質膜を挟みプレスして電池接合体を得
る。
【0026】
【実施例】以下、本発明の実施例を説明するが、本発明
がこの実施例に限定されないことは勿論である。ま
ず、カ−ボン粒子に対して白金粉末を50重量%担持さ
せてなる触媒粒子、ポリフロン(ポリテトラフルオロエ
チレン、ダイキン工業社製、登録商標)のディスパ−ジ
ョン、ネオフロン〔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(FEP)、ダイキン工業社
製、商品名〕のディスパ−ジョン、気孔率75%、厚さ
0.4mmのカ−ボンペ−パ−(面積=100cm2
及びNAFION−117(パ−フルオロカ−ボンスル
ホン酸樹脂、Du Pont社製、商品名)のアルコ−
ル溶液を用意した。
【0027】上記触媒粒子に対して、上記ポリフロン
ディスパ−ジョンをポリテトラフルオロエチレンが触媒
全体量中30重量%となるようにコロイドミルで混合し
た。次いで、この混合液を凍結乾燥器中において表面
積がなるべく大きくなるように冷却速度等に注意しなが
ら温度−80℃に冷やし凍結させた後、0.1torr
まで真空度を上げ、溶媒を昇華させ、乾燥させた。この
時その溶媒蒸気はコ−ルドトラップで捕集した。
【0028】一方、上記カ−ボンペ−パ−に対して上
記ネオフロンディスパ−ジョン(FEP)を含浸させた
後、熱処理をし、FEPで撥水化したカ−ボンペ−パ−
を得た。この場合、FEPがその全体量中約20重量%
を占めるよう調製した。次に、上記で得た撥水化カ
−ボンペ−パ−上に上記〜で得た触媒粉末を塗布
し、温度280℃で10時間、360℃で5時間、窒素
気流中で熱処理を行なった。、で得られた触媒層に
上記NAFION−117のアルコ−ル溶液を含浸させ
た後、溶媒の除去操作を行ったが、この溶媒除去操作は
温度80℃、真空中で12時間加熱することにより実施
した。
【0029】次いで、以上の諸工程〜で作製した
電極シ−トを用い、水素側及び酸素側の両電極の間に、
固体高分子電解質膜としてのNAFION−117膜
(パ−フルオロカ−ボンスルホン酸樹脂膜、Du Po
nt社製、商品名)を挟み、温度140℃、圧力100
kgf/cm2 の加圧下、60秒間プレスした後、これ
を燃料電池用枠内に組み込んでセットし、導線、ガス管
等を接続して供試用固体高分子型燃料電池を構成した。
【0030】一方、比較例用供試電池として、その電極
製造時に、本発明のように触媒粒子及びポリフロンの混
合懸濁液に本発明による凍結乾燥を適用せず、NAFI
ON−117でコ−ティングした触媒粒子とポリフロン
の水性懸濁液を撥水化カ−ボンペ−パ−上に加圧濾過に
より付着させて電極シ−トを製造し、この電極シ−トの
二枚を用いて上記と同様にして電池を構成した。この
場合その電極構成用の諸材料は、実施例の場合と同じく
前記に示したものを使用し、ポリフロンその他の量的
割合も実施例と同量を使用して構成した。
【0031】図2は、その両供試用電池について測定し
た電流密度とセル電圧との関係を示すものである。その
電池操作条件としては、水素流量0.1l/min、酸
素流量0.5l/min、水素圧力2.0atm、酸素
圧力2.0atm、電池温度60℃で実施した。電流密
度とセル電圧とは相関関係にあり、電流密度を増加させ
るに伴いセル電圧は相対的に徐々に低下するが、図2の
とおり、供試用電池では、セル電圧は電流密度の増加に
伴い徐々に低下しているのに対して、比較例ではこれを
かなり下回っている。
【0032】このように、実施例及び比較例は、同じく
ポリフロン(ポリテトラフルオロエチレン)を用い、し
かも量的にも同じであるのに、その電池性能を異にし、
実施例ではより優れた効果が得られるが、これは本発明
に係る凍結乾燥により三次元反応サイト中のガス相が、
水が凝集することなくより有効に確保されていることに
よるものである。またこの結果は、テスト用の小規模の
供試電池によるものであるが、実用上の電池では、規模
が大きく、長期間使用されること等を考慮すると、本発
明によるその優れた電極特性、電池効率の向上効果は明
らかである。
【0033】
【発明の効果】以上のとおり、本発明によれば、触媒粒
子とポリテトラフルオロエチレンディスパ−ジョンの混
合液を凍結乾燥により乾燥した後、熱処理することによ
り、ポリテトラフルオロエチレンの使用量を少なくして
所期の電極特性を得ることができるとともに、これを使
用した固体高分子型燃料電池の性能を大幅に改善するこ
とができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】反応サイトの三次元化状態を説明するための模
式図。
【図2】実施例及び比較例で製作した各供試電池につい
て測定した電流密度とセル電圧との関係を示す図。
【符号の説明】
1 高分子電解質膜 2 触媒粒子 3 ポリテトラフルオロエチレン粒子 4 イオン交換樹脂粒子

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】触媒粒子、高分子電解質及びポリテトラフ
    ルオロエチレンを含む触媒層を有する固体高分子型燃料
    電池用電極であって、触媒粒子とポリテトラフルオロエ
    チレンディスパ−ジョンの混合液を凍結乾燥により乾燥
    した後、熱処理してなることを特徴とする固体高分子型
    燃料電池用電極。
  2. 【請求項2】上記触媒層が、撥水化カ−ボンペ−パ−上
    に形成された触媒層である請求項1記載の固体高分子型
    燃料電池用電極。
  3. 【請求項3】上記高分子電解質が、パ−フルオロカ−ボ
    ンスルホン酸系の樹脂である請求項1記載の固体高分子
    型燃料電池用電極の製造方法。
  4. 【請求項4】触媒粒子、高分子電解質及びポリテトラフ
    ルオロエチレンを含む触媒層を有する固体高分子型燃料
    電池用電極の製造方法において、触媒粒子にポリテトラ
    フルオロエチレンディスパ−ジョンを混合し、この混合
    液を凍結乾燥により乾燥した後、熱処理を行うことを特
    徴とする固体高分子型燃料電池用電極の製造方法。
  5. 【請求項5】上記触媒層が、撥水化カ−ボンペ−パ−上
    に形成された触媒層である請求項4記載の固体高分子型
    燃料電池用電極の製造方法。
  6. 【請求項6】上記高分子電解質が、パ−フルオロカ−ボ
    ンスルホン酸系の樹脂である請求項4記載の固体高分子
    型燃料電池用電極の製造方法。
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Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0785588A3 (en) * 1996-01-19 2000-05-03 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha Method of manufacturing electrode or electrode-electrolyte membrane joint body for fuel cell and electrode for fuel cell
KR100429826B1 (ko) * 1997-02-17 2004-07-16 삼성전자주식회사 수소이온교환막연료전지의전극촉매층형성용조성물,이로부터형성된수소이온교환막연료전지의전극촉매층및이를구비하고있는수소이온교환막연료전지
US6946214B2 (en) 2001-05-15 2005-09-20 Aisin Seiki Kabushiki Kaisha Manufacturing method of fuel cell electrode and fuel cell using thereof
JP2011072872A (ja) * 2009-09-29 2011-04-14 Equos Research Co Ltd 触媒担持カーボンの処理方法及び燃料電池用電極
JP2011078890A (ja) * 2009-10-06 2011-04-21 Equos Research Co Ltd 触媒の製造方法

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