JPS6224565A - 燃料電池等のガス拡散電極 - Google Patents

燃料電池等のガス拡散電極

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JPS6224565A
JPS6224565A JP60162614A JP16261485A JPS6224565A JP S6224565 A JPS6224565 A JP S6224565A JP 60162614 A JP60162614 A JP 60162614A JP 16261485 A JP16261485 A JP 16261485A JP S6224565 A JPS6224565 A JP S6224565A
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本尾 哲
Masahiro Watanabe
政廣 渡辺
Choichi Furuya
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    • H01M4/86Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
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    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 (産業上の利用分野) 本発明は、水素−酸素燃料電池用正極、負極、工業電解
用電極、空気−亜鉛電池の電極、ガルバニック方式ガス
センサの構成電極、電気分解用ガス発生極等のガス拡散
電極に関するもので、特にそのガス拡散電極の触媒層の
構造の改良に係る。
(従来技術とその問題点) 燃料電池等は、各電極において燃料等と酸化剤等との反
応を促進するために触媒を必要とする。
しかし、反応ガスの電気化学的反応は、電極における電
解質と反応ガスとが接触する点、すなわち三相界面を形
成する領域におけ゛る触媒金属の存在のもとに起る。し
たがって、それ以外の部分に存在する触媒金属は有効に
利用されずに浪費されることになる。燃料電池等におい
て一般的に用いられている触媒金属は高価な貴金属で、
とくに白金や白金−ロジウム、白金−酸化ルテニウム、
白金−スズ等の白金族金属であり、したがって、できる
限りその浪費を少なくし、且つ良好な電極性能を得るこ
とが望ましい。電極性能を向上させるためには、電解質
と反応ガスの界面領域を大きくすることか必要となる。
この界面を大きくするには、反応ガスだけが通過でき、
電解液を滲み込ませない撥水性のガス拡散層と電解液が
存在できる親水性の触媒層を分離することにより大きな
界面が得られることが従来から知られている。このよう
な性質のガス拡散層としては、たとえば、ポリエチレン
、ポリプロピレン、ポリテトラフルオルエチレン、合成
ゴムなどをもちいることができる。またこのような性質
を有する触媒層としては、触媒を担持させた導電性粒子
をtΩ水性樹脂であるポリテトラフルオルエチレンで一
様に結合したものが一般的であるが、この(θ水性樹脂
を上記ガス拡散層材料におきかえることもできる。また
この導電性粒子としては、たとえば、カーボンブラック
(一般的には高温で水素ガス処理をしたものが用いられ
るが、高温で一酸化炭素またはフッ素含有ガスで処理し
たものでもよい。)、グラファイト、人造石墨、活性炭
、炭素繊維を単独であるいは複数で用いることができる
なお、アルミナ、シリカ等の無機酸化物の表面を炭化さ
せたものでも良い。
斯かる構造の↑Ω水性ガス拡散電極は、触媒層内で、ミ
クロな1Ω水性部分がガス供給通路となり、親水性部分
には電解液が滲み込み電極反応が起る部分となる。とこ
ろで、この構造で、電極特性をより一層向上させる為に
は、かなりの↑分水性部分が必要である。しかし、触媒
が一様に電極内に分布している為、前記三相界面領域の
親水性部分に存在する触媒は通常20〜30%で、最も
多くて75%であり、従って反応にあずからない無駄に
使用される触媒が多かった。このような触媒の浪費を改
善する方法として、特開昭51−86734号公報には
、電導性の粒子からなり疎水的に結合された基質により
支持された電極のポスト力クリゼーション(電極構造体
が形成された後、電極構造体内に触媒を担持される技術
)により良好な電極が得られることが開示されている。
しかしながらこの方法も、三相界面領域以外の部分に存
在する触媒は有効に利用されず、その浪費は避けられな
い。
(発明の目的) 本発明は斯かる問題を解決すべくなされたものであり、
親水性部分に電解液が完全に入り、100%の触媒が電
解液のぬれ反応にあずかり、他方撥水性部分をガスが通
り、触媒に十分ガスを供給できる燃料電池等のガス拡散
電極を提供することを目的とするものである。
(発明の構成) 上記目的を達成する為の本発明による燃料電池等のガス
拡散電極は、触媒層とガス拡散層とからなる燃料電池等
のガス拡散電極において、前記触媒層は導電性粒子が撥
水性樹脂の表面に分散したスケルトン、およびそのスケ
ルトンの空間に凝集した導電性粒子群からなり、その導
電性粒子群には、触媒金属が担持されていることを特徴
とする。
先ず、従来の燃料電池等のガス拡散電極の構成を図面に
よって説明してその欠点を指摘し、次いで本発明の燃料
電池等のガス拡散電極の構成及びその作用効果を説明す
る。
第2図は従来の燃料電池等のガス拡散電極の触媒層の断
面図で、触媒金属1が担持された導電性粒子2とta水
性樹脂3が一様に混合され、スケルトンになっているも
のである。この触媒層では電解液の滲み込み部分4にあ
る触媒金属1しか寄与せず、撥水性樹脂3によりできた
ガス供給通路中の触媒金属1は無駄に浪費されることと
なっている。
第1図は本発明の燃料電池等のガス拡散電極の触媒層の
断面模式図で、付号は従来例と同様である。
本発明においては、導電性粒子2が0401〜0゜06
μと(θ水性樹脂3の短径0.2μ前後に比し−けた小
さいため、導電性粒子2が凝集して導電性粒子群を形成
する。この導電性粒子群5は電解液に対して親水性であ
るため、この群に電解液が滲透する。他方、1B水性樹
脂3の表面に分散した導電性粒子2は、対面する導電性
粒子群5の導電性粒子2と組になってガス供給通路を形
成する。これは、従来と同様である。しかしこのガス供
給通路が導電性粒子群5のすく近傍に存在するので、導
電性粒子群5の触媒反応に供されるガスが十分供給でき
る。電解液が触媒層全体に滲み込むためには、導電性粒
子群5がスケルトン状に連なっていることが好ましい。
また、本発明のガス拡散電極において、撥水性樹脂の微
粉体と、触媒自身又は親水性微粉体に触媒を担持させた
微粉体との混合比を8:2〜2:8の重量混合比にした
理由は、双方の重量混合比が夫々相手方と8:2以上に
開くと、親水性部分に電解液が完全に入らなくなり、他
方撥水性部分をガスが通りにくくなって触媒に十分ガス
を供給できなくなるからである。
(実施例) 本発明による撥水性ガス拡散電極の一実施例を、硫酸を
電解液とするH z/ Oz燃料電池用電極の場合につ
いて説明する。
導電性材料であるカーボンブラックの微粉体と撥水性バ
インダーであるポリテトラフルオルエチレンの微粒子と
を重量比で4:6の割合で混合し、加圧成形した導電性
・IΩ水性多孔質膜より成るガス拡散層上に、0.56
 mg/ cotの白金触媒を担持したカーボンブラッ
ク微粉末の導電性粒子とポリテトラフルオルエチレンの
↑n水性処理したカーボンブラック微粉末が分散したt
Ω水性樹脂とが重量比で7:3の混合微粉末をホットプ
レスした触媒層を設けた。なお、この触媒層には、副原
料として、ワックス黒鉛フッ化カーボン粉末等の撥水性
増強用粉末、フッ素ゴム等の補強用物質粉末、着色用顔
料等を適宜含ませることもできる。また、触媒層調整時
には、粉末のままミキサーで混合するか、または石油、
イソプロピルアルコール、ソルベントナフサ、ホワイト
オイル等の液状炭化水素の液体潤滑剤を約20〜200
重量%混合して調整する。このH210□燃料電池用電
極において、60°C13モル/7!硫酸水溶液中で酸
素還元特性、水素酸化特性を測定した。その結果、同一
溶液中にある水素参照電極に対して酸素極特性は0.8
Vで0.2 A / c[J、0.7■で3 A / 
cal、また限界電流で5 A / ca1以上の酸素
極特性が得られた。これは従来の(Ω水化した導電性粒
子を含まない第2図の構造のH2102燃料電池用電極
の2倍以上の酸素極特性である。
また水素極特性は、25mVに於いて2.3A/crA
が得られ、従来の電極の1.3倍の水素極特性が得られ
た。
次に本発明によるガス拡散電極の他の実施例をリン酸を
電解液とするH2102燃料電池用電極の場合について
説明する。
前記実施例と同一の導電性・撥水性多孔質膜より成るガ
ス拡散層上に、0.28■/ cotの白金触媒を担持
した触媒層を設けたH210□燃料電池用電極を、19
0℃、100%リン酸中で酸素還元特性、水素酸化特性
を測定した。その結果、同一溶液中にある水素参照電極
に対して酸素極特性は、0.8■で0.6A/cm2.
0.7■で3.4A/cm2であった。これは従来のH
210□燃料電池用電極の3倍以上の酸素極特性である
。また水素極特性は、25mVで2.5A/c+Jが得
られ、これは従来の電極の1.3倍の極特性である。
上記各実施例の電極の電解液にぬれている触媒クラスタ
ーの表面積は、通常用いられている電気化学的手法(ポ
ルタングラム)で求められている。
即ち、撥水性が極めて少なく、全ての触媒クラスターが
完全にぬれてしまう電極で求められたクラスター表面積
をSo、い実施例の電極のクラスター表面積をSPtと
すると、U = S pt/ S ’ ptで触媒利用
率が求められ、実施例の電極における酸素極特性に於い
て、触媒利用率が100%であった。
また上記実施例の電極のガス供給能の程度は次のように
確認された。即ち、ガス供給が十分で、それによる分極
が無ければ、ターフエルプロットでその勾配が理論的に
80〜90mVになる。実験により実施例の電極では、
1.5 A / cntの電流密度までそのターフエル
勾配が約90mVであることが確かめられた。このこと
から、ガス供給に基づく分極がI A / crA以上
の電流密度まで無い電極であって、ガス供給が十分に行
われる電極であることが確認された。
なお、上記実施例では、触媒として白金触媒が用いられ
ているが、他の金属触媒、とくに貴金属触媒または酸化
物触媒等であっても良い。また電解凍は硫酸、リン酸に
かぎるものではなく、他のものでも良い。さらに上記実
施例は燃料電池用電極の場合であるが本発明のガス拡散
電極は工業電解用電極、空気−亜鉛電池の電極、ガルバ
ニック方式ガスセンザの構成電極、電気分解用ガス発生
極としても用いることができるものである。
(発明の効果) 以上の説明で判るように本発明による燃料電池等のガス
拡散電極は、親水性部分に電解液が完全に入り、100
%の触媒が電解液のぬれ反応に与り、他方撥水性部分を
ガスが通り、触媒に十分ガスが供給されるので、触媒が
無駄に使用されることが無く、電極特性が著しく向上す
る。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の燃料電池等のガス拡散電極の触媒層の
断面模式図、第2図は従来のガス拡散電極の触媒層の断
面模式図である。

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. (1)触媒層とガス拡散層の二層からなる燃料電池等の
    ガス拡散電極に於いて、前記触媒層は導電性粒子2が撥
    水性樹脂3の表面に分散したスケルトンとそのスケルト
    ンの空間に凝集した導電性粒子群からなり、その導電性
    粒子群5には触媒金属1が担持されていることを特徴と
    する燃料電池等のガス拡散電極。
  2. (2)特許請求の範囲第(1)項記載の導電性粒子群と
    撥水性樹脂との重量混合比が8:2〜2:8であること
    を特徴とする燃料電池等のガス拡散電極。
  3. (3)特許請求の範囲第(1)〜(2)項記載の導電性
    粒子がカーボンブラックであることを特徴とする燃料電
    池等のガス拡散電極。
JP60162614A 1985-07-24 1985-07-24 燃料電池等のガス拡散電極 Expired - Lifetime JPH0766812B2 (ja)

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