JPS6237876A - 燃料電池用ガス拡散電極 - Google Patents
燃料電池用ガス拡散電極Info
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- JPS6237876A JPS6237876A JP60176249A JP17624985A JPS6237876A JP S6237876 A JPS6237876 A JP S6237876A JP 60176249 A JP60176249 A JP 60176249A JP 17624985 A JP17624985 A JP 17624985A JP S6237876 A JPS6237876 A JP S6237876A
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- JP
- Japan
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- phosphoric acid
- catalyst layer
- base material
- electrode
- catalyst
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
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-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M4/00—Electrodes
- H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
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- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Electrochemistry (AREA)
- General Chemical & Material Sciences (AREA)
- Inert Electrodes (AREA)
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。
め要約のデータは記録されません。
Description
【発明の詳細な説明】
〔発明の属する技術分野〕
本発明は燃料電池における電極に係り、特に触媒層の組
成を改良した燃料電池用ガス拡散電極に関する。
成を改良した燃料電池用ガス拡散電極に関する。
一般に燃料電池用ガス拡散電極は、多孔質なカーボン基
材と、この基材上に形成された触媒層よりなり、この触
媒層は貴金属を担持した触媒粉末と電解液に対して適度
な撥水性を確保するポリテトラフルオロエチレン（以下
ｒＰＴＦＥＪと称する）よりなり、ＰＴＦＥ をガー
ボンブラ、りに対して５０〜２００ ｗｔ％添加した混
合物を電極基材上に塗布、乾燥しＰＴＦＥの溶融温度に
て焼成することで得られる。
材と、この基材上に形成された触媒層よりなり、この触
媒層は貴金属を担持した触媒粉末と電解液に対して適度
な撥水性を確保するポリテトラフルオロエチレン（以下
ｒＰＴＦＥＪと称する）よりなり、ＰＴＦＥ をガー
ボンブラ、りに対して５０〜２００ ｗｔ％添加した混
合物を電極基材上に塗布、乾燥しＰＴＦＥの溶融温度に
て焼成することで得られる。
このような構造のガス拡散電極を有する単セル構造を第
３図に示す。４は水素極電極基材、５は水素極触媒層、
６はマトリ、クス、７は空気極触媒層、８は空気極電極
基材である。第３図における水素極触媒層５．マトリ、
ジス６．空気極触媒層７には予めリン酸が含浸されてお
り、三相界面を初期から形成できる状態にされている。
３図に示す。４は水素極電極基材、５は水素極触媒層、
６はマトリ、クス、７は空気極触媒層、８は空気極電極
基材である。第３図における水素極触媒層５．マトリ、
ジス６．空気極触媒層７には予めリン酸が含浸されてお
り、三相界面を初期から形成できる状態にされている。
このようにリン酸を予め電極内部に含浸させる方法は、
触媒層を形成させた触媒層上にリン酸を塗布し、ｌＯＯ
〜１５０℃程度の温度で溶融することにより電極内部へ
リン酸を含浸することができる。しかしながらこの方法
は、第４図に示すごとく電極表面上より厚さ方向にリン
酸６を含浸させるため、触媒層内部に存在するＰＴＦＥ
７の強い撥水性からリン酸の濃度分布を生じて、三相界
面を十分広範凹に電池運転初期から発揮することができ
ず、電池運転を経過するにしたがい、リン酸の移動から
特性が上昇する傾向があった。
触媒層を形成させた触媒層上にリン酸を塗布し、ｌＯＯ
〜１５０℃程度の温度で溶融することにより電極内部へ
リン酸を含浸することができる。しかしながらこの方法
は、第４図に示すごとく電極表面上より厚さ方向にリン
酸６を含浸させるため、触媒層内部に存在するＰＴＦＥ
７の強い撥水性からリン酸の濃度分布を生じて、三相界
面を十分広範凹に電池運転初期から発揮することができ
ず、電池運転を経過するにしたがい、リン酸の移動から
特性が上昇する傾向があった。
第５図は前記従来構造での単セル電圧の変化を示すもの
で、セル電圧が最大値を示すのに２００時間程度を要し
、しかもマトリ、クス内部のリン酸が電極へ移動するこ
とで、マトリ、クスへのリン酸補給回数が初期から１０
００時間に数回にわたるため、安定し、た電池特性を得
ることができなかった。
で、セル電圧が最大値を示すのに２００時間程度を要し
、しかもマトリ、クス内部のリン酸が電極へ移動するこ
とで、マトリ、クスへのリン酸補給回数が初期から１０
００時間に数回にわたるため、安定し、た電池特性を得
ることができなかった。
このような問題を解決するため、電極触媒層に電解質に
対し親水性を有するリン酸性材料を含浸するようにした
構成が例えば特開昭５９−２２４０６７により提案され
ている。この構成によれば、シリコンカーバイド等の親
リン酸材料を触媒層構成部材である触媒粉末およびＰＴ
ＦＥとともに混合することで、強い接水性を有する触媒
層内にリン酸供給通路を確保することができ、電池特性
の安定化を図ることができるという効果がある。しかし
ながら、上記構成によればマトリ、クスより供給される
′リン酸を触媒層内部へ浸透させることはできても、触
媒層全体のリン酸濃度を均一にすることはできず、三相
界面の安定化を図るためには、親リン酸性材料の層内分
布量を変化させる必要があり、触媒層マトリックス側か
ら基材側までのリン酸濃度を均一かつ広範化するために
はなお改良の余地があった。
対し親水性を有するリン酸性材料を含浸するようにした
構成が例えば特開昭５９−２２４０６７により提案され
ている。この構成によれば、シリコンカーバイド等の親
リン酸材料を触媒層構成部材である触媒粉末およびＰＴ
ＦＥとともに混合することで、強い接水性を有する触媒
層内にリン酸供給通路を確保することができ、電池特性
の安定化を図ることができるという効果がある。しかし
ながら、上記構成によればマトリ、クスより供給される
′リン酸を触媒層内部へ浸透させることはできても、触
媒層全体のリン酸濃度を均一にすることはできず、三相
界面の安定化を図るためには、親リン酸性材料の層内分
布量を変化させる必要があり、触媒層マトリックス側か
ら基材側までのリン酸濃度を均一かつ広範化するために
はなお改良の余地があった。
この発明は上記に鑑みなされたものであり、電池運転初
期より触媒１−内のリン酸を均一に浸透させ、安定した
電池・特性を得ることを目的とする。
期より触媒１−内のリン酸を均一に浸透させ、安定した
電池・特性を得ることを目的とする。
このような目的は本発明によれば、電極触媒層における
親リン酸性材料の添加量を電極基材側に近づくにつれ多
くすることにより達成される。
親リン酸性材料の添加量を電極基材側に近づくにつれ多
くすることにより達成される。
以下本発明の詳細な説明する。従来構造によるリン酸含
浸量の触媒層内不均一を防止するため、白金を担持する
カーボンブラックに対して残リン酸性材料で耐蝕性にす
ぐれたシリコンカーバイドをＰＴＦＥとともに電極基材
上に塗布し、乾燥した後ＰＴＦＥの溶融する温度にて焼
成することによりガス拡散電極を構成した。その構造を
第１図および第２図に示す。第１図は二層構造の集施例
であり、第２図は三層構造の冥施例である。
浸量の触媒層内不均一を防止するため、白金を担持する
カーボンブラックに対して残リン酸性材料で耐蝕性にす
ぐれたシリコンカーバイドをＰＴＦＥとともに電極基材
上に塗布し、乾燥した後ＰＴＦＥの溶融する温度にて焼
成することによりガス拡散電極を構成した。その構造を
第１図および第２図に示す。第１図は二層構造の集施例
であり、第２図は三層構造の冥施例である。
第１図の構造は、触媒粉末１と、その触媒に対してシリ
コンカーバイド２を２０〜１００ ｗｔ％。
コンカーバイド２を２０〜１００ ｗｔ％。
ＰＴＦＥ３を５０〜２００ ｗｔ％を混合した溶媒を電
極基材上にスプレー法、噴鯵法等により塗布した後乾録
して、基材に第１の触媒層別を形成し、更に触媒粉末と
その触媒に対してＰＴＦＥ３のみ５０〜１５０ ｗｔ％
添加した混合溶媒を同じく塗布・乾燥して第２の触媒層
（９）を形成し、二層構造とした後、ＰＴＦＥの溶融温
度にて焼成することで得ることができる。
極基材上にスプレー法、噴鯵法等により塗布した後乾録
して、基材に第１の触媒層別を形成し、更に触媒粉末と
その触媒に対してＰＴＦＥ３のみ５０〜１５０ ｗｔ％
添加した混合溶媒を同じく塗布・乾燥して第２の触媒層
（９）を形成し、二層構造とした後、ＰＴＦＥの溶融温
度にて焼成することで得ることができる。
第２図の構造は、触媒粉末１とその触媒に対しテ５０〜
１００ ｗｔ％のシリコンカーバイド２と１００〜２０
０ ｗｔ％のＰＴＦＩｉａを混合した溶媒を電極基材上
にスプレー法、噴霧法等により塗布した後乾燥して基材
上に第１の触媒層４０を形成し、更に触媒粉末とその触
媒に対して２５〜７５ｗｔ％のシリコンカーバイドと父
〜１５０ ｗｔ％ＰＴＦＥを混合した溶媒を同じく塗布
、乾燥して第２の触媒層５ｏを形成し、更にその一ヒに
触媒粉末とその触媒に対してＰＴＦＥ５０−１００ｗｔ
％のみ混合した溶媒を塗布。
１００ ｗｔ％のシリコンカーバイド２と１００〜２０
０ ｗｔ％のＰＴＦＩｉａを混合した溶媒を電極基材上
にスプレー法、噴霧法等により塗布した後乾燥して基材
上に第１の触媒層４０を形成し、更に触媒粉末とその触
媒に対して２５〜７５ｗｔ％のシリコンカーバイドと父
〜１５０ ｗｔ％ＰＴＦＥを混合した溶媒を同じく塗布
、乾燥して第２の触媒層５ｏを形成し、更にその一ヒに
触媒粉末とその触媒に対してＰＴＦＥ５０−１００ｗｔ
％のみ混合した溶媒を塗布。
乾燥して第３の触媒層ωを形成して三層構造とした後、
ＰＴＦＥの溶融温度にて焼成することで得ることができ
る。
ＰＴＦＥの溶融温度にて焼成することで得ることができ
る。
このように電極触媒層の親リン酸性材料の添加量をマト
リックスに対して厚さ方向に変化させた電極に、リン酸
を含浸した後の触媒層内のリン酸濃度分布を、従来構造
の電極と比較した結果を表１に示す。
リックスに対して厚さ方向に変化させた電極に、リン酸
を含浸した後の触媒層内のリン酸濃度分布を、従来構造
の電極と比較した結果を表１に示す。
表 １
この結果より、親リン酸性材料を添加した電極は・触媒
層内に電極表面より浸透するリン酸を層内部へ導びく効
果と、触媒層内にリン酸を保持する効果を有することが
明らかである。
層内に電極表面より浸透するリン酸を層内部へ導びく効
果と、触媒層内にリン酸を保持する効果を有することが
明らかである。
また従来の電極触媒層では、マトリ、クス側から浸透す
るリン酸に対して、強い撥水性を発揮するため触媒層内
部に浸透するリン酸が抑制され厚さ方向に不均一な濃度
分布を生じていたのに対し、本発明の電極触媒層では親
リン酸性材料を電解液が浸透しにくい電極基板側の触媒
層に多く添加し、マトリ、クス側の触媒層へ近ずくにし
たがってその添加量を低下させているため、リン酸の濃
度不均一を防止することができる。このような役目を果
す親リン酸性材料としては、耐蝕性にすぐれマトリ、ク
ス材料として用いるシリコンカーバイドのほかｉｃ Ｚ
ｒＯ２、Ｔａ２０Ｂ 、 ＷＣ＊ Ｚｒ （Ｐ ０４
）ｇでも同様の効果が得られる。
るリン酸に対して、強い撥水性を発揮するため触媒層内
部に浸透するリン酸が抑制され厚さ方向に不均一な濃度
分布を生じていたのに対し、本発明の電極触媒層では親
リン酸性材料を電解液が浸透しにくい電極基板側の触媒
層に多く添加し、マトリ、クス側の触媒層へ近ずくにし
たがってその添加量を低下させているため、リン酸の濃
度不均一を防止することができる。このような役目を果
す親リン酸性材料としては、耐蝕性にすぐれマトリ、ク
ス材料として用いるシリコンカーバイドのほかｉｃ Ｚ
ｒＯ２、Ｔａ２０Ｂ 、 ＷＣ＊ Ｚｒ （Ｐ ０４
）ｇでも同様の効果が得られる。
第５図に本発明を用いた単セル電圧の連続経時変化を示
す。運転条件は電流密度２２０ ｒｒＡ／ｃｌ 、温度
１９０℃、である。この結果から明らかなように本発明
によれば、運転初期より安定した電池特性が得られ、し
かも初期のリン酸不足によるマトリ、クス層から触媒層
へのリン酸移動によるリン酸補給を必要とせず、２００
時間以後も電池特性が安定化していることがわかる。
す。運転条件は電流密度２２０ ｒｒＡ／ｃｌ 、温度
１９０℃、である。この結果から明らかなように本発明
によれば、運転初期より安定した電池特性が得られ、し
かも初期のリン酸不足によるマトリ、クス層から触媒層
へのリン酸移動によるリン酸補給を必要とせず、２００
時間以後も電池特性が安定化していることがわかる。
以上の説明から明らかなように本発明によれば、親リン
酸性材料をリン酸の浸透しにくい電極基材側に多く添加
し、マトリ、クス側に近ずくにしたがい、添加量を低下
させることにより、触媒層の厚さ方向におけるリン酸の
不均一を防止し三相界“面を初期運転時より広範囲化さ
せることができる。
酸性材料をリン酸の浸透しにくい電極基材側に多く添加
し、マトリ、クス側に近ずくにしたがい、添加量を低下
させることにより、触媒層の厚さ方向におけるリン酸の
不均一を防止し三相界“面を初期運転時より広範囲化さ
せることができる。
第１図、第２図はそれぞれ本発明の実施例による電極構
造を示す模式断面図、第３図は基セルを示す概略構造図
、第４図は従来構造のリン酸含没後の電極触媒層の模式
断面図、第５図は従来構造の電極による単セルでの長期
運転特性線図、第６図は本発明の電極による単セルでの
長期運転特性線図である。 １：触媒、２：シリコンカーノくイド、３ ： ＰＴＦ
Ｅｏ 才１圀 Ｔ２図 才３図 才４図 埒ｒｆｌ （Ｈｒ） 才５ 区 θ予肉（Ｈｒ） 才ｌ＝閃
造を示す模式断面図、第３図は基セルを示す概略構造図
、第４図は従来構造のリン酸含没後の電極触媒層の模式
断面図、第５図は従来構造の電極による単セルでの長期
運転特性線図、第６図は本発明の電極による単セルでの
長期運転特性線図である。 １：触媒、２：シリコンカーノくイド、３ ： ＰＴＦ
Ｅｏ 才１圀 Ｔ２図 才３図 才４図 埒ｒｆｌ （Ｈｒ） 才５ 区 θ予肉（Ｈｒ） 才ｌ＝閃
Claims (1)
- 貴金属を担持する触媒とフッ素樹脂と親リン酸性材料と
を有する触媒層を、電解液を含浸するマトリックスと当
該触媒層を支持する多孔質基材との間に配設してなるも
のにおいて、前記親リン酸性材料の添加量を電極基材側
に近ずくにつれ多くすることを特徴とする燃料電池用ガ
ス拡散電極。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP60176249A JPS6237876A (ja) | 1985-08-10 | 1985-08-10 | 燃料電池用ガス拡散電極 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP60176249A JPS6237876A (ja) | 1985-08-10 | 1985-08-10 | 燃料電池用ガス拡散電極 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS6237876A true JPS6237876A (ja) | 1987-02-18 |
Family
ID=16010259
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP60176249A Pending JPS6237876A (ja) | 1985-08-10 | 1985-08-10 | 燃料電池用ガス拡散電極 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS6237876A (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH04296455A (ja) * | 1991-03-27 | 1992-10-20 | Toshiba Corp | 燃料電池 |
-
1985
- 1985-08-10 JP JP60176249A patent/JPS6237876A/ja active Pending
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH04296455A (ja) * | 1991-03-27 | 1992-10-20 | Toshiba Corp | 燃料電池 |
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