JP2001160406A - 固体高分子型燃料電池の電極およびその製造方法 - Google Patents
固体高分子型燃料電池の電極およびその製造方法Info
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Abstract
(57)【要約】
【課題】電極の機械的な強度を維持しながら、反応に必
要な気体の拡散を阻害することなく、電解液を含む触媒
層に撥水性を付与した固体高分子型燃料電池の電極およ
びその製造方法を提供する。 【解決手段】固体高分子型燃料電池に適用される電極に
おいて、電極は、撥水処理を施した電極基材２４ａ，２
４ｂに、この電極基材２４ａ，２４ｂ内の気孔中に炭素
粉末を担体とする貴金属触媒を埋め込み、電解質溶液を
含浸させ固体高分子電解質膜２１と接合される触媒層２
５ａ，２５ｂを形成し、この触媒層２５ａ，２５ｂの厚
さは電極基材２４ａ，２４ｂの厚さより薄いことを特徴
とする。
要な気体の拡散を阻害することなく、電解液を含む触媒
層に撥水性を付与した固体高分子型燃料電池の電極およ
びその製造方法を提供する。 【解決手段】固体高分子型燃料電池に適用される電極に
おいて、電極は、撥水処理を施した電極基材２４ａ，２
４ｂに、この電極基材２４ａ，２４ｂ内の気孔中に炭素
粉末を担体とする貴金属触媒を埋め込み、電解質溶液を
含浸させ固体高分子電解質膜２１と接合される触媒層２
５ａ，２５ｂを形成し、この触媒層２５ａ，２５ｂの厚
さは電極基材２４ａ，２４ｂの厚さより薄いことを特徴
とする。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、燃料電池に適用さ
れる電極の撥水性を向上させた固体高分子型燃料電池の
電極およびその製造方法に関するものである。
れる電極の撥水性を向上させた固体高分子型燃料電池の
電極およびその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】燃料電池は、燃料の有している化学的エ
ネルギーを直接電気的エネルギーに変換する装置であ
る。通常、この燃料電池は、単電池を複数個積層するこ
とで構成される。単電池は、中央に電解質を有し、この
電解質を挟んで一対の多孔質電極が配置され、この多孔
質電極のさらに外側にセパレータが設けられて構成され
る。そして、一方の電極の背面に水素など気体燃料を接
触させ、また、他方の電極の背面に酸素などの酸化剤を
接触させることで起こる電気化学反応により発生する電
気エネルギーを上述した一対の電極から取り出すように
したものである。
ネルギーを直接電気的エネルギーに変換する装置であ
る。通常、この燃料電池は、単電池を複数個積層するこ
とで構成される。単電池は、中央に電解質を有し、この
電解質を挟んで一対の多孔質電極が配置され、この多孔
質電極のさらに外側にセパレータが設けられて構成され
る。そして、一方の電極の背面に水素など気体燃料を接
触させ、また、他方の電極の背面に酸素などの酸化剤を
接触させることで起こる電気化学反応により発生する電
気エネルギーを上述した一対の電極から取り出すように
したものである。
【０００３】燃料電池には、りん酸型燃料電池、溶融炭
酸塩型燃料電池、固体電解質型燃料電池および固体高分
子電解質型燃料電池などのいくつかのタイプがあるが、
このうち固体高分子電解質型燃料電池（以下、「ＰＥＦ
Ｃ」と称する）が、近年注目を集めている。
酸塩型燃料電池、固体電解質型燃料電池および固体高分
子電解質型燃料電池などのいくつかのタイプがあるが、
このうち固体高分子電解質型燃料電池（以下、「ＰＥＦ
Ｃ」と称する）が、近年注目を集めている。
【０００４】固体高分子型燃料電池は、電解質として固
体高分子電解質膜を使用する。
体高分子電解質膜を使用する。
【０００５】固体高分子電解質膜は、一般に、酸化およ
び熱に耐性を有するパーフルオロスルフォン酸樹脂膜
（例えば、米国デュポン社製、商品名ナフィオン）から
構成されて、イオン導電性を有する。また、固体高分子
電解質膜は低温で導電性を有するため、ＰＥＦＣはその
他の形式の燃料電池に比較して低温、すなわち、６０℃
〜１２０℃程度の温度で動作可能である。このため、電
池を構成する材料に対する制約が少なく、短時間に起動
可能である。
び熱に耐性を有するパーフルオロスルフォン酸樹脂膜
（例えば、米国デュポン社製、商品名ナフィオン）から
構成されて、イオン導電性を有する。また、固体高分子
電解質膜は低温で導電性を有するため、ＰＥＦＣはその
他の形式の燃料電池に比較して低温、すなわち、６０℃
〜１２０℃程度の温度で動作可能である。このため、電
池を構成する材料に対する制約が少なく、短時間に起動
可能である。
【０００６】図５は、従来におけるＰＥＦＣの単電池の
構成を示す断面図である。
構成を示す断面図である。
【０００７】図５に示すように、単電池１は、水素イオ
ン伝導性を有する固体高分子を含有する層（以下、「固
体高分子膜」とする。）２と、この固体高分子膜２の両
側面に燃料電極３および酸化剤電極４が配置される。燃
料電極３の背面には、気体の流路となる燃料溝５を設け
た気体不透過性のセパレータ６ａが配置される。また、
酸化剤電極４の背面には、気体の流路となる空気溝７を
設けた気体不透過性のセパレータ６ｂが配置される。
ン伝導性を有する固体高分子を含有する層（以下、「固
体高分子膜」とする。）２と、この固体高分子膜２の両
側面に燃料電極３および酸化剤電極４が配置される。燃
料電極３の背面には、気体の流路となる燃料溝５を設け
た気体不透過性のセパレータ６ａが配置される。また、
酸化剤電極４の背面には、気体の流路となる空気溝７を
設けた気体不透過性のセパレータ６ｂが配置される。
【０００８】燃料電極３および酸化剤電極４は、セパレ
ータ６ａ，６ｂ側に配置される電極基材８ａ，８ｂと、
この電極基材８ａ，８ｂの表面に形成される触媒層９
ａ，９ｂとから構成される。
ータ６ａ，６ｂ側に配置される電極基材８ａ，８ｂと、
この電極基材８ａ，８ｂの表面に形成される触媒層９
ａ，９ｂとから構成される。
【０００９】このような単電池１に適用される燃料電極
３および酸化剤電極４は、例えば、特開平６−２０３８
４８号公報に掲載されているような方法により製造され
る。
３および酸化剤電極４は、例えば、特開平６−２０３８
４８号公報に掲載されているような方法により製造され
る。
【００１０】具体的には、貴金属触媒を表面に担持した
炭素粉末と、電解質となるイオン交換樹脂の溶媒溶液
と、希釈用の溶媒とを混合してスラリーを形成し、この
スラリーを電極基材８ａ，８ｂ上に塗布後、溶媒を蒸発
および除去することで、触媒層９ａ，９ｂを電極基材８
ａ，８ｂ表面に形成する。
炭素粉末と、電解質となるイオン交換樹脂の溶媒溶液
と、希釈用の溶媒とを混合してスラリーを形成し、この
スラリーを電極基材８ａ，８ｂ上に塗布後、溶媒を蒸発
および除去することで、触媒層９ａ，９ｂを電極基材８
ａ，８ｂ表面に形成する。
【００１１】一方、電極基材８ａ，８ｂと触媒層９ａ，
９ｂとの間に、中間層としてガス拡散層を設けた構成を
有する電極が、米国特許ＵＳＰ５６２０８０７において
知られている。
９ｂとの間に、中間層としてガス拡散層を設けた構成を
有する電極が、米国特許ＵＳＰ５６２０８０７において
知られている。
【００１２】ガス拡散層は、炭素粉末とフッ素系樹脂と
から構成される。そして、その機能は、電極での生成水
が拡散および除去される速度を制御したり、また、供給
される気体中に含まれる水分の拡散速度を制御するもの
である。このため、電池の運転中に外部からの水分供給
量に、電池の特性が過敏に反応することがなく、安定し
た運転を行える電池を得られる。
から構成される。そして、その機能は、電極での生成水
が拡散および除去される速度を制御したり、また、供給
される気体中に含まれる水分の拡散速度を制御するもの
である。このため、電池の運転中に外部からの水分供給
量に、電池の特性が過敏に反応することがなく、安定し
た運転を行える電池を得られる。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来に
おける電極の製造方法では、燃料電極３および酸化剤電
極４に適用される触媒層９ａ，９ｂに十分な撥水性を具
備することができないという問題を有していた。
おける電極の製造方法では、燃料電極３および酸化剤電
極４に適用される触媒層９ａ，９ｂに十分な撥水性を具
備することができないという問題を有していた。
【００１４】電極の製造方法においては、触媒と電解液
とを混合したスラリーを使用して触媒層９ａ，９ｂを形
成するが、この場合、スラリー中における電解液の耐熱
性が低いため、撥水性を付与するフッ素樹脂をスラリー
に混合し、フッ素樹脂の融点を越える温度で焼成するこ
とができない。このため、フッ素樹脂による触媒層９
ａ，９ｂへの撥水性具備が不十分であるという問題を有
していた。
とを混合したスラリーを使用して触媒層９ａ，９ｂを形
成するが、この場合、スラリー中における電解液の耐熱
性が低いため、撥水性を付与するフッ素樹脂をスラリー
に混合し、フッ素樹脂の融点を越える温度で焼成するこ
とができない。このため、フッ素樹脂による触媒層９
ａ，９ｂへの撥水性具備が不十分であるという問題を有
していた。
【００１５】触媒層９ａ，９ｂに撥水性がないと、特に
高電流密度で運転している時に、凝縮した水が触媒層９
ａ，９ｂの気孔を埋めてしまい、反応に必要な気体の拡
散経路を阻害してしまい、電池性能を低下させる恐れが
あるという問題を有していた。
高電流密度で運転している時に、凝縮した水が触媒層９
ａ，９ｂの気孔を埋めてしまい、反応に必要な気体の拡
散経路を阻害してしまい、電池性能を低下させる恐れが
あるという問題を有していた。
【００１６】また、触媒層９ａ，９ｂの厚みは通常１０
から５０μｍで、電極基材８ａ，８ｂに求められている
機械的なサポート機能は、触媒層９ａ，９ｂと同等の厚
さの電極基材８ａ，８ｂでは期待できない。一方、厚手
の電極基材８ａ，８ｂを使用すると、触媒層９ａ，９ｂ
の厚さが大きくなることにより触媒層９ａ，９ｂ中のガ
ス拡散不良を生じてしまうという問題を有していた。
から５０μｍで、電極基材８ａ，８ｂに求められている
機械的なサポート機能は、触媒層９ａ，９ｂと同等の厚
さの電極基材８ａ，８ｂでは期待できない。一方、厚手
の電極基材８ａ，８ｂを使用すると、触媒層９ａ，９ｂ
の厚さが大きくなることにより触媒層９ａ，９ｂ中のガ
ス拡散不良を生じてしまうという問題を有していた。
【００１７】そこで、このような問題を解決するため
に、種々研究がなされており、例えば、特開平８−１０
６９１５号公報が提案されている。
に、種々研究がなされており、例えば、特開平８−１０
６９１５号公報が提案されている。
【００１８】具体的な電極の製造方法は、まず、電極基
材となるカーボンペーパ繊維表面にポリテトラフルオロ
エチレンを用いて撥水性を具備させる。その後、撥水性
を具備させたカーボンペーパ繊維に電解液を含浸させ
て、その中に触媒層を埋め込む。このようにして得られ
た電極を図６に示す。
材となるカーボンペーパ繊維表面にポリテトラフルオロ
エチレンを用いて撥水性を具備させる。その後、撥水性
を具備させたカーボンペーパ繊維に電解液を含浸させ
て、その中に触媒層を埋め込む。このようにして得られ
た電極を図６に示す。
【００１９】図６に示すように、電極１０は、３次元の
網目構造を成すカーボンペーパ繊維１１を支持体とし
て、この支持体表面に固体高分子電解質被膜１２と、ポ
リテトラフルオロエチレン層１３とが形成されており、
さらにこの表面上に電極触媒被膜層１４が形成されてい
る。また、この電極１０上には固体高分子電解質膜１５
が配設されている。
網目構造を成すカーボンペーパ繊維１１を支持体とし
て、この支持体表面に固体高分子電解質被膜１２と、ポ
リテトラフルオロエチレン層１３とが形成されており、
さらにこの表面上に電極触媒被膜層１４が形成されてい
る。また、この電極１０上には固体高分子電解質膜１５
が配設されている。
【００２０】図６に示すように、この電極１０の製造方
法では、固体高分子電解質被膜１２をカーボンペーパ繊
維１１全体に含浸させるため、発電に寄与しない電解質
が電極基材内部に分散し、この電解質が水分を吸収して
膨潤することなどにより、ガスの拡散を必要とする電極
基材の気孔をふさいでしまう。このことが、反応に必要
な気体の拡散を阻害し、電池の電圧低下という不利益と
なる問題を有していた。
法では、固体高分子電解質被膜１２をカーボンペーパ繊
維１１全体に含浸させるため、発電に寄与しない電解質
が電極基材内部に分散し、この電解質が水分を吸収して
膨潤することなどにより、ガスの拡散を必要とする電極
基材の気孔をふさいでしまう。このことが、反応に必要
な気体の拡散を阻害し、電池の電圧低下という不利益と
なる問題を有していた。
【００２１】本発明は、これらの問題を解決するために
なされたものであり、電極の機械的な強度を維持しなが
ら、反応に必要な気体の拡散を阻害することなく、電解
液を含む触媒層に撥水性を有する固体高分子型燃料電池
の電極およびその製造方法を提供することを目的とす
る。
なされたものであり、電極の機械的な強度を維持しなが
ら、反応に必要な気体の拡散を阻害することなく、電解
液を含む触媒層に撥水性を有する固体高分子型燃料電池
の電極およびその製造方法を提供することを目的とす
る。
【００２２】
【課題を解決するための手段】請求項１記載の発明は、
固体高分子型燃料電池に適用される電極において、前記
電極は、撥水処理を施した電極基材に、この電極基材内
の気孔中に炭素粉末を担体とする貴金属触媒を埋め込
み、電解質溶液を含浸させ固体高分子電解質膜と接合さ
れる触媒層を形成し、この触媒層の厚さは前記電極基材
の厚さより薄いことを特徴とする。
固体高分子型燃料電池に適用される電極において、前記
電極は、撥水処理を施した電極基材に、この電極基材内
の気孔中に炭素粉末を担体とする貴金属触媒を埋め込
み、電解質溶液を含浸させ固体高分子電解質膜と接合さ
れる触媒層を形成し、この触媒層の厚さは前記電極基材
の厚さより薄いことを特徴とする。
【００２３】本発明によれば、撥水性処理を施した電極
基材に触媒層を形成していることから、触媒表面の過剰
な水分を容易に排出することができる。また、触媒層の
厚さを電極基材の厚さよりも薄くすることで、電解質溶
液が吸湿および膨潤して気孔を塞ぎ、気体の拡散を阻害
する難点を回避することができる。
基材に触媒層を形成していることから、触媒表面の過剰
な水分を容易に排出することができる。また、触媒層の
厚さを電極基材の厚さよりも薄くすることで、電解質溶
液が吸湿および膨潤して気孔を塞ぎ、気体の拡散を阻害
する難点を回避することができる。
【００２４】請求項２記載の発明は、請求項１記載の固
体高分子型燃料電池の電極において、全触媒層を、前記
電極基材の内部に形成される前記触媒層と、前記電極基
材表面を被覆する外部触媒層とから形成し、前記触媒層
および前記外部触媒層は連続して形成されることを特徴
とする。
体高分子型燃料電池の電極において、全触媒層を、前記
電極基材の内部に形成される前記触媒層と、前記電極基
材表面を被覆する外部触媒層とから形成し、前記触媒層
および前記外部触媒層は連続して形成されることを特徴
とする。
【００２５】本発明によれば、触媒層を、電極基材の内
部から外部まで連続して形成するものである。例えば、
外部触媒層は、電極基材の表面に１μｍ以上の厚さで形
成される。この外部触媒層は、高分子電解質膜と電極基
材との接着剤として機能し、これにより、電気的な接触
抵抗を低くすることができる。
部から外部まで連続して形成するものである。例えば、
外部触媒層は、電極基材の表面に１μｍ以上の厚さで形
成される。この外部触媒層は、高分子電解質膜と電極基
材との接着剤として機能し、これにより、電気的な接触
抵抗を低くすることができる。
【００２６】請求項３記載の発明は、請求項１または２
記載の固体高分子型燃料電池の電極において、前記触媒
層が形成された電極基材の背面に、炭素粉末とフッ素系
樹脂とからなるガス拡散層が形成されることを特徴とす
る。
記載の固体高分子型燃料電池の電極において、前記触媒
層が形成された電極基材の背面に、炭素粉末とフッ素系
樹脂とからなるガス拡散層が形成されることを特徴とす
る。
【００２７】本発明においては、電極基材に形成された
触媒層の背面に、炭素粉末とフッ素系樹脂とからなるガ
ス拡散層を形成するものである。ガス拡散層は、電極で
の生成水が拡散および除去される速度を制御する作用、
供給される気体中に含まれる水分の拡散速度を制御する
作用を有する。従って、本発明によれば、高分子電解質
膜に供給される水分量の急激な変化を緩衝し、外部から
の水分供給量に電池の特性が過敏に反応することなく運
転することができる。
触媒層の背面に、炭素粉末とフッ素系樹脂とからなるガ
ス拡散層を形成するものである。ガス拡散層は、電極で
の生成水が拡散および除去される速度を制御する作用、
供給される気体中に含まれる水分の拡散速度を制御する
作用を有する。従って、本発明によれば、高分子電解質
膜に供給される水分量の急激な変化を緩衝し、外部から
の水分供給量に電池の特性が過敏に反応することなく運
転することができる。
【００２８】請求項４記載の発明は、請求項３記載の固
体高分子型燃料電池の電極において、電極は、第１電極
基材と、この第１電極基材に形成される前記触媒層と、
この触媒層の背面に形成されるガス拡散層と、このガス
拡散層に貼り合わされて配置される第２電極基材とから
構成されることを特徴とする。
体高分子型燃料電池の電極において、電極は、第１電極
基材と、この第１電極基材に形成される前記触媒層と、
この触媒層の背面に形成されるガス拡散層と、このガス
拡散層に貼り合わされて配置される第２電極基材とから
構成されることを特徴とする。
【００２９】請求項５記載の発明は、請求項４記載の固
体高分子型燃料電池の電極において、第１電極基材は、
第２電極基材よりもかさ密度が小さく、前記第１電極基
材の厚さは１００μｍ以下であることを特徴とする。
体高分子型燃料電池の電極において、第１電極基材は、
第２電極基材よりもかさ密度が小さく、前記第１電極基
材の厚さは１００μｍ以下であることを特徴とする。
【００３０】請求項４および５記載の発明によれば、第
２電極基材は、第１電極基材に形成されたガス拡散層を
保護し、電極の機械的強度を保持する作用を有する。こ
のため、第１電極基材は機械的強度を保持する必要はな
く、第１電極基材のかさ密度を小さくし、厚さを薄くす
ることにより、効果的に気体の拡散を行える。
２電極基材は、第１電極基材に形成されたガス拡散層を
保護し、電極の機械的強度を保持する作用を有する。こ
のため、第１電極基材は機械的強度を保持する必要はな
く、第１電極基材のかさ密度を小さくし、厚さを薄くす
ることにより、効果的に気体の拡散を行える。
【００３１】請求項６記載の発明は、固体高分子型燃料
電池に適用される電極の製造方法において、電極基材に
撥水処理を施す撥水処理工程と、この撥水処理工程後、
前記電極基材の気孔中に、貴金属触媒を担持した炭素粉
末、高分子電解質の溶液および希釈用の溶媒を混合して
なるスラリーを含浸した後、前記スラリー中の希釈用溶
媒を蒸発および除去して前記電極基材に触媒層を形成す
る触媒層形成工程とを有することを特徴とする。
電池に適用される電極の製造方法において、電極基材に
撥水処理を施す撥水処理工程と、この撥水処理工程後、
前記電極基材の気孔中に、貴金属触媒を担持した炭素粉
末、高分子電解質の溶液および希釈用の溶媒を混合して
なるスラリーを含浸した後、前記スラリー中の希釈用溶
媒を蒸発および除去して前記電極基材に触媒層を形成す
る触媒層形成工程とを有することを特徴とする。
【００３２】本発明においては、機械的な強度を十分も
つ厚さの電極基材に予め撥水処理を施し、その電極基材
の気孔中に炭素粉末を担体とする貴金属触媒を埋め込み
触媒層を形成することで、触媒層に効果的に撥水性を付
与することができる。
つ厚さの電極基材に予め撥水処理を施し、その電極基材
の気孔中に炭素粉末を担体とする貴金属触媒を埋め込み
触媒層を形成することで、触媒層に効果的に撥水性を付
与することができる。
【００３３】請求項７記載の発明は、請求項６記載の固
体高分子型燃料電池の電極の製造方法において、撥水処
理工程では、電極基材の気孔中にフッ素系樹脂のディス
パージョン溶液を含浸後、３００℃以上で加熱処理する
ことを特徴とする。
体高分子型燃料電池の電極の製造方法において、撥水処
理工程では、電極基材の気孔中にフッ素系樹脂のディス
パージョン溶液を含浸後、３００℃以上で加熱処理する
ことを特徴とする。
【００３４】本発明において、電極基材にフッ素樹脂を
含浸した後、これをフッ素樹脂の融点を越える３００℃
以上の温度で加熱処理することで焼成することができ
る。
含浸した後、これをフッ素樹脂の融点を越える３００℃
以上の温度で加熱処理することで焼成することができ
る。
【００３５】請求項８記載の発明は、請求項６記載の固
体高分子型燃料電池の電極の製造方法において、触媒層
形成工程において、スラリーを電極基材上に塗布後、ロ
ーラーにより前記電極基材上部から圧縮し、前記スラリ
ーを前記電極基材の気孔中に含浸することを特徴とす
る。
体高分子型燃料電池の電極の製造方法において、触媒層
形成工程において、スラリーを電極基材上に塗布後、ロ
ーラーにより前記電極基材上部から圧縮し、前記スラリ
ーを前記電極基材の気孔中に含浸することを特徴とす
る。
【００３６】請求項９記載の発明は、請求項６記載の固
体高分子型燃料電池の電極の製造方法において、触媒層
形成工程において、スラリーを電極基材上に塗布後、前
記スラリーを前記電極基材背面から吸引し、前記スラリ
ーを前記電極基材の気孔中に含浸することを特徴とす
る。
体高分子型燃料電池の電極の製造方法において、触媒層
形成工程において、スラリーを電極基材上に塗布後、前
記スラリーを前記電極基材背面から吸引し、前記スラリ
ーを前記電極基材の気孔中に含浸することを特徴とす
る。
【００３７】触媒を含むスラリーを塗布する方法として
は、ドクターブレードまたはスクリーンプリンターが一
般に使用されている。撥水性を持つ電極基材中にスラリ
ーを含浸させるために、請求項８または９記載の発明の
ように、塗布後にローラーで圧縮する、または電極基材
の背面から吸引するなどの手段を用いると良い。
は、ドクターブレードまたはスクリーンプリンターが一
般に使用されている。撥水性を持つ電極基材中にスラリ
ーを含浸させるために、請求項８または９記載の発明の
ように、塗布後にローラーで圧縮する、または電極基材
の背面から吸引するなどの手段を用いると良い。
【００３８】請求項１０記載の発明は、請求項８または
９記載の固体高分子型燃料電池の電極の製造方法におい
て、スラリーは、固形分の重量濃度が１０％以下である
触媒を含むことを特徴とする。
９記載の固体高分子型燃料電池の電極の製造方法におい
て、スラリーは、固形分の重量濃度が１０％以下である
触媒を含むことを特徴とする。
【００３９】本発明によれば、スラリーの固形分の重量
濃度を１０％以下とすることにより、スラリーを容易に
含浸することができ、かつスラリー中の固形分を均一に
塗布することができる。
濃度を１０％以下とすることにより、スラリーを容易に
含浸することができ、かつスラリー中の固形分を均一に
塗布することができる。
【００４０】請求項１１記載の発明は、請求項８または
９記載の固体高分子型燃料電池の電極の製造方法におい
て、電極基材として、カーボンペーパを用いることを特
徴とする。
９記載の固体高分子型燃料電池の電極の製造方法におい
て、電極基材として、カーボンペーパを用いることを特
徴とする。
【００４１】カーボンペーパは、導電性で耐食性の炭素
繊維から構成されており、かつ、多孔性で気体の透過性
も良いため、電極基材として一般に用いられている。カ
ーボンペーパは、多孔性であることから、本発明のよう
に気孔に触媒を埋め込む構造には適している。また、電
極基材の有する気孔は、反応に必要な気体の拡散する経
路であるので、電極基材は気孔を多く有するものが望ま
しく、かさ密度が小さい方が気孔の割合が大きく気体の
拡散係数が大きいため、かさ密度が小さい方が望まし
い。
繊維から構成されており、かつ、多孔性で気体の透過性
も良いため、電極基材として一般に用いられている。カ
ーボンペーパは、多孔性であることから、本発明のよう
に気孔に触媒を埋め込む構造には適している。また、電
極基材の有する気孔は、反応に必要な気体の拡散する経
路であるので、電極基材は気孔を多く有するものが望ま
しく、かさ密度が小さい方が気孔の割合が大きく気体の
拡散係数が大きいため、かさ密度が小さい方が望まし
い。
【００４２】請求項１２記載の発明は、請求項８または
９記載の固体高分子型燃料電池の電極の製造方法におい
て、電極基材として、表面に導電性耐食処理を施した金
属メッシュを用いることを特徴とする。
９記載の固体高分子型燃料電池の電極の製造方法におい
て、電極基材として、表面に導電性耐食処理を施した金
属メッシュを用いることを特徴とする。
【００４３】請求項１３記載の発明は、請求項８または
９記載の固体高分子型燃料電池の電極の製造方法におい
て、電極基材として、表面に導電性耐食処理を施したス
テンレスのメッシュを用いることを特徴とする。
９記載の固体高分子型燃料電池の電極の製造方法におい
て、電極基材として、表面に導電性耐食処理を施したス
テンレスのメッシュを用いることを特徴とする。
【００４４】請求項１２および１３記載の発明におい
て、電極基材として金属のメッシュを用いる。固体高分
子型燃料電池の電解質は、プロトンが水分中に溶出して
いるため酸性雰囲気なので、電極基材として耐食性に優
れた材料を使用しなければならない。耐食性を向上させ
るために、金属メッシュの表面に導電性耐食処理を施す
と良い。金属メッシュの材料として、耐食性に優れてい
るステンレスを使用し、また表面処理と合わせて高い耐
食性を得ることができる。
て、電極基材として金属のメッシュを用いる。固体高分
子型燃料電池の電解質は、プロトンが水分中に溶出して
いるため酸性雰囲気なので、電極基材として耐食性に優
れた材料を使用しなければならない。耐食性を向上させ
るために、金属メッシュの表面に導電性耐食処理を施す
と良い。金属メッシュの材料として、耐食性に優れてい
るステンレスを使用し、また表面処理と合わせて高い耐
食性を得ることができる。
【００４５】請求項１４記載の発明は、請求項８または
９記載の固体高分子型燃料電池の電極の製造方法におい
て、電極基材として、炭素、窒化チタンまたは窒化クロ
ムのいずれかを表面に被覆した金属メッシュを用いるこ
とを特徴とする。
９記載の固体高分子型燃料電池の電極の製造方法におい
て、電極基材として、炭素、窒化チタンまたは窒化クロ
ムのいずれかを表面に被覆した金属メッシュを用いるこ
とを特徴とする。
【００４６】請求項１５記載の発明は、請求項８または
９記載の固体高分子型燃料電池の電極の製造方法におい
て、電極基材として、金属メッシュの表面に、前記金属
メッシュのホウ素化合物または窒素化合物のいずれかを
生成して被覆したものを用いることを特徴とする。
９記載の固体高分子型燃料電池の電極の製造方法におい
て、電極基材として、金属メッシュの表面に、前記金属
メッシュのホウ素化合物または窒素化合物のいずれかを
生成して被覆したものを用いることを特徴とする。
【００４７】金属メッシュの表面処理方法として、導電
性で耐食性を備える物質で表面を被覆する方法、また
は、金属表面を化学反応によって導電性で耐食性を備え
るように改質する方法がある。表面を被覆する物質とし
ては、炭素、窒化チタンまたは窒化クロムが適当であ
る。また、表面の改質方法としては、ホウ化処理または
窒化処理が適当である。
性で耐食性を備える物質で表面を被覆する方法、また
は、金属表面を化学反応によって導電性で耐食性を備え
るように改質する方法がある。表面を被覆する物質とし
ては、炭素、窒化チタンまたは窒化クロムが適当であ
る。また、表面の改質方法としては、ホウ化処理または
窒化処理が適当である。
【００４８】
【発明の実施の形態】以下において、本発明の実施形態
を図１〜図４を参照して説明する。
を図１〜図４を参照して説明する。
【００４９】第１実施形態（図１） 電極基材として、カーボンペーパ（東レ株式会社 ＴＧ
Ｐ−Ｈ−０９０）を使用した。
Ｐ−Ｈ−０９０）を使用した。
【００５０】このカーボンペーパは、平均のかさ密度が
０．４０〜０．５８ｇ／ｃｍ３である。なお、かさ密度
は小さい方が気孔の割合が大きく気体の拡散係数が大き
いため、０．４０ｇ／ｃｍ３以下のかさ密度であること
が望ましい。
０．４０〜０．５８ｇ／ｃｍ３である。なお、かさ密度
は小さい方が気孔の割合が大きく気体の拡散係数が大き
いため、０．４０ｇ／ｃｍ３以下のかさ密度であること
が望ましい。
【００５１】また、カーボンペーパからなる電極基材の
厚さを、１００μｍ以上とした。
厚さを、１００μｍ以上とした。
【００５２】次に、このような電極基材の気孔中にフッ
素系樹脂のディスパージョン溶液を含浸し、電極基材を
乾燥後、３００℃以上の温度で加熱処理し、電極基材を
構成する材料の表面をフッ素系樹脂により被覆した。
素系樹脂のディスパージョン溶液を含浸し、電極基材を
乾燥後、３００℃以上の温度で加熱処理し、電極基材を
構成する材料の表面をフッ素系樹脂により被覆した。
【００５３】そして、炭素粉末を担体とする貴金属触
媒、電解質となるイオン交換樹脂の溶媒溶液および希釈
用の溶媒を混合してスラリーとし、ドクターブレードま
たはスクリーンプリンターを用いて、このスラリーを電
極基材上に塗布した。
媒、電解質となるイオン交換樹脂の溶媒溶液および希釈
用の溶媒を混合してスラリーとし、ドクターブレードま
たはスクリーンプリンターを用いて、このスラリーを電
極基材上に塗布した。
【００５４】スラリーの濃度として、スラリー中の固形
分の重量濃度を１０％以下に調節し、スラリーを電極基
材の気孔中に容易にかつ均一に含浸させるため、スラリ
ーの濃度をうすくした。また、スラリーを電極基材の気
孔中に含浸させるため、電極基材の上部からローラーで
圧縮し、または電極基材の背面を真空状態として吸引を
行った。
分の重量濃度を１０％以下に調節し、スラリーを電極基
材の気孔中に容易にかつ均一に含浸させるため、スラリ
ーの濃度をうすくした。また、スラリーを電極基材の気
孔中に含浸させるため、電極基材の上部からローラーで
圧縮し、または電極基材の背面を真空状態として吸引を
行った。
【００５５】その後、イオン交換樹脂の溶媒溶液および
希釈用の溶媒を蒸発および除去し、電極基材の表面付近
に触媒層を形成した。形成された触媒層は、表面から１
０μｍ程度の厚さで形成され、電極基材の厚さよりも薄
かった。この触媒層の表面は、スラリー中に混合されて
いた電解質のイオン交換樹脂により被覆される。
希釈用の溶媒を蒸発および除去し、電極基材の表面付近
に触媒層を形成した。形成された触媒層は、表面から１
０μｍ程度の厚さで形成され、電極基材の厚さよりも薄
かった。この触媒層の表面は、スラリー中に混合されて
いた電解質のイオン交換樹脂により被覆される。
【００５６】このようにして得られた電極を固体高分子
電解質膜の両側面に配置して、図１に示す電極接合体を
得た。
電解質膜の両側面に配置して、図１に示す電極接合体を
得た。
【００５７】図１は、電極接合体を模式的に示す断面図
である。
である。
【００５８】図１に示すように、電極接合体２０は、水
素イオン伝導性を有する固体高分子を含有する固体高分
子電解質膜２１と、この固体高分子電解質膜２１の両側
面に燃料電極２２および酸化剤電極２３が配置される。
素イオン伝導性を有する固体高分子を含有する固体高分
子電解質膜２１と、この固体高分子電解質膜２１の両側
面に燃料電極２２および酸化剤電極２３が配置される。
【００５９】そして、燃料電極２２の背面には、図示し
ない気体の流路となる燃料溝を設けた気体不透過性のセ
パレータが配置され、酸化剤電極２３の背面にも、気体
の流路となる空気溝を設けた気体不透過性のセパレータ
が配置されて、単電池を構成する。
ない気体の流路となる燃料溝を設けた気体不透過性のセ
パレータが配置され、酸化剤電極２３の背面にも、気体
の流路となる空気溝を設けた気体不透過性のセパレータ
が配置されて、単電池を構成する。
【００６０】燃料電極２２および酸化剤電極２３は、図
示しないセパレータ側に配置され、あらかじめ撥水処理
を施した電極基材２４ａ，２４ｂと、この電極基材２４
ａ，２４ｂの表面に形成され、炭素粉末を担体とする貴
金属触媒を電極基材２４ａ，２４ｂの気孔中に埋め込み
電解質溶液を塗布して形成された触媒層２５ａ，２５ｂ
とから構成される。
示しないセパレータ側に配置され、あらかじめ撥水処理
を施した電極基材２４ａ，２４ｂと、この電極基材２４
ａ，２４ｂの表面に形成され、炭素粉末を担体とする貴
金属触媒を電極基材２４ａ，２４ｂの気孔中に埋め込み
電解質溶液を塗布して形成された触媒層２５ａ，２５ｂ
とから構成される。
【００６１】本実施形態によれば、炭素粉末を担体とす
る貴金属触媒が、撥水性を有する電極基材２４ａ，２４
ｂの気孔中に埋め込まれることで、触媒表面と撥水性を
有する電極基材２４ａ，２４ｂとが接するために、過剰
な生成水を電極基材２４ａ，２４ｂの構成繊維表面から
容易に揮発および除去することができる。
る貴金属触媒が、撥水性を有する電極基材２４ａ，２４
ｂの気孔中に埋め込まれることで、触媒表面と撥水性を
有する電極基材２４ａ，２４ｂとが接するために、過剰
な生成水を電極基材２４ａ，２４ｂの構成繊維表面から
容易に揮発および除去することができる。
【００６２】また、電極基材２４ａ，２４ｂは撥水性を
有するために、スラリーは電極基材２４ａ，２４ｂの深
くまで含浸せず、触媒を担持する炭素粉末を電極基材２
４ａ，２４ｂの表面近傍にだけ存在させることができ
る。
有するために、スラリーは電極基材２４ａ，２４ｂの深
くまで含浸せず、触媒を担持する炭素粉末を電極基材２
４ａ，２４ｂの表面近傍にだけ存在させることができ
る。
【００６３】従って、本実施形態によれば、あらかじめ
電極基材２４ａ，２４ｂに撥水性を持たせて、その電極
基材２４ａ，２４ｂ中に触媒層２５ａ，２５ｂを形成す
ることで、電解液を含む触媒層２５ａ，２５ｂに撥水性
を具備することができる。これにより、触媒表面が過剰
な水分で覆われることがないため、気体の拡散が阻害さ
れず、安定な電池性能を得ることができる。
電極基材２４ａ，２４ｂに撥水性を持たせて、その電極
基材２４ａ，２４ｂ中に触媒層２５ａ，２５ｂを形成す
ることで、電解液を含む触媒層２５ａ，２５ｂに撥水性
を具備することができる。これにより、触媒表面が過剰
な水分で覆われることがないため、気体の拡散が阻害さ
れず、安定な電池性能を得ることができる。
【００６４】また、電解質を含浸した触媒層２５ａ，２
５ｂの厚さを電極基材２４ａ，２４ｂの全体長の残余厚
よりも薄くすることで、十分な強度を維持できる電極基
材２４ａ，２４ｂを得られる。
５ｂの厚さを電極基材２４ａ，２４ｂの全体長の残余厚
よりも薄くすることで、十分な強度を維持できる電極基
材２４ａ，２４ｂを得られる。
【００６５】さらに、電極基材２４ａ，２４ｂ全体が電
解質によって覆われていないため、電解質が吸湿および
膨潤して気孔を塞ぎ、反応に必要な気体拡散の阻害を防
止し、安定な電池性能を得ることができる。
解質によって覆われていないため、電解質が吸湿および
膨潤して気孔を塞ぎ、反応に必要な気体拡散の阻害を防
止し、安定な電池性能を得ることができる。
【００６６】なお、本実施形態においては、電極基材２
４ａ，２４ｂとしてカーボンペーパを使用したが、金属
メッシュを使用しても良い。ただし、固体高分子型燃料
電池の電解質は酸性雰囲気であるから、耐食性の強いス
テンレスのメッシュを使用するとよい。さらに、耐食性
を向上させる手段として、表面に導電性耐食処理を施す
と良い。表面処理方法として、炭素、窒化チタンまたは
窒化クロムなどの物質で被覆を形成する方法、または金
属表面をホウ素または窒素と化学反応させて表面を改質
する方法がある。炭素被覆を形成する方法として、例え
ば、ポリイミド系の樹脂をスプレーで塗布した後に２５
０℃で熱硬化処理し、更に８００℃で炭化する方法があ
る。窒化チタン、窒化クロムを被覆する方法として、例
えば、窒素雰囲気で、チタンまたはクロムの金属ターゲ
ットに電子ビームを照射し、蒸発した金属と窒素とを反
応させて、電極基材２４ａ，２４ｂ上に窒化チタンまた
は窒化クロムの薄膜を形成する方法がある。表面のホウ
素化処理方法としては、例えば、ホウ素化合物を高温で
溶融した液体中に、金属メッシュを浸漬して表面にホウ
素化合物の被覆を形成する方法がある。表面の窒化処理
方法としては、例えば、シアン塩またはシアン酸塩を溶
融した液体中の、金属メッシュを浸漬して表面に窒素化
合物の被覆を形成する方法がある。
４ａ，２４ｂとしてカーボンペーパを使用したが、金属
メッシュを使用しても良い。ただし、固体高分子型燃料
電池の電解質は酸性雰囲気であるから、耐食性の強いス
テンレスのメッシュを使用するとよい。さらに、耐食性
を向上させる手段として、表面に導電性耐食処理を施す
と良い。表面処理方法として、炭素、窒化チタンまたは
窒化クロムなどの物質で被覆を形成する方法、または金
属表面をホウ素または窒素と化学反応させて表面を改質
する方法がある。炭素被覆を形成する方法として、例え
ば、ポリイミド系の樹脂をスプレーで塗布した後に２５
０℃で熱硬化処理し、更に８００℃で炭化する方法があ
る。窒化チタン、窒化クロムを被覆する方法として、例
えば、窒素雰囲気で、チタンまたはクロムの金属ターゲ
ットに電子ビームを照射し、蒸発した金属と窒素とを反
応させて、電極基材２４ａ，２４ｂ上に窒化チタンまた
は窒化クロムの薄膜を形成する方法がある。表面のホウ
素化処理方法としては、例えば、ホウ素化合物を高温で
溶融した液体中に、金属メッシュを浸漬して表面にホウ
素化合物の被覆を形成する方法がある。表面の窒化処理
方法としては、例えば、シアン塩またはシアン酸塩を溶
融した液体中の、金属メッシュを浸漬して表面に窒素化
合物の被覆を形成する方法がある。
【００６７】第２実施形態（図２） 本実施形態においては、触媒層は電極基材の内部に形成
される触媒層と、電極基材表面を被覆する外部触媒層と
から構成され、触媒層および外部触媒層が電極基材の内
部から外部まで連続して形成される。この電極を用いて
電極接合体を構成した。
される触媒層と、電極基材表面を被覆する外部触媒層と
から構成され、触媒層および外部触媒層が電極基材の内
部から外部まで連続して形成される。この電極を用いて
電極接合体を構成した。
【００６８】図２は、電極接合体を模式的に示す断面図
である。この電極接合体の構成は、第１実施形態におけ
る図１とほぼ同様であり、同一箇所に関してはその説明
を省略する。
である。この電極接合体の構成は、第１実施形態におけ
る図１とほぼ同様であり、同一箇所に関してはその説明
を省略する。
【００６９】図２に示すように、触媒層２５ａ，２５ｂ
は、電極基材２４ａ，２４ｂ内部に形成される触媒層２
６ａ，２６ｂと、電極基材２４ａ，２４ｂ表面に形成さ
れる外部触媒層２７ａ，２７ｂとからなる。そして、外
部触媒層２７ａ，２７ｂは、電極基材２４ａ，２４ｂ表
面に１μｍ以上の厚さで形成される。この外部触媒層２
７ａ，２７ｂは、固体高分子電解質膜２１と電極２２，
２３とを接着する機能を有する。
は、電極基材２４ａ，２４ｂ内部に形成される触媒層２
６ａ，２６ｂと、電極基材２４ａ，２４ｂ表面に形成さ
れる外部触媒層２７ａ，２７ｂとからなる。そして、外
部触媒層２７ａ，２７ｂは、電極基材２４ａ，２４ｂ表
面に１μｍ以上の厚さで形成される。この外部触媒層２
７ａ，２７ｂは、固体高分子電解質膜２１と電極２２，
２３とを接着する機能を有する。
【００７０】本実施形態によれば、電極基材２４ａ，２
４ｂ表面に外部触媒層２７ａ，２７ｂを設けることで、
固体高分子電解質膜２１と電極２２，２３との結合が良
くなり、両者の間の電気的な接触抵抗が低減される。こ
のため、外部で取り出される電池の電圧が高くなり、電
池の性能を向上できる。
４ｂ表面に外部触媒層２７ａ，２７ｂを設けることで、
固体高分子電解質膜２１と電極２２，２３との結合が良
くなり、両者の間の電気的な接触抵抗が低減される。こ
のため、外部で取り出される電池の電圧が高くなり、電
池の性能を向上できる。
【００７１】第３実施形態（図３、図４） 本実施形態においては、電極接合体に改良を加えた。
【００７２】図３は、ガス拡散層を形成した電極接合体
を模式的に示す断面図である。この電極接合体の構成
は、第１実施形態における図１とほぼ同様であり、同一
箇所に関してはその説明を省略する。
を模式的に示す断面図である。この電極接合体の構成
は、第１実施形態における図１とほぼ同様であり、同一
箇所に関してはその説明を省略する。
【００７３】図３に示すように、電極基材２４ａ，２４
ｂの表面であって、触媒層２５ａ，２５ｂと対向する側
に、炭素粉末とフッ素系樹脂とからなるガス拡散層２８
ａ，２８ｂが形成される。
ｂの表面であって、触媒層２５ａ，２５ｂと対向する側
に、炭素粉末とフッ素系樹脂とからなるガス拡散層２８
ａ，２８ｂが形成される。
【００７４】このガス拡散層２８ａ，２８ｂは、カーボ
ンの粉末とフッ素系樹脂のディスパージョン溶液と希釈
用の溶媒とを混合した溶液を、電極基材２４ａ，２４ｂ
の表面に塗布し、希釈用の溶媒を蒸発および除去して形
成される。
ンの粉末とフッ素系樹脂のディスパージョン溶液と希釈
用の溶媒とを混合した溶液を、電極基材２４ａ，２４ｂ
の表面に塗布し、希釈用の溶媒を蒸発および除去して形
成される。
【００７５】このガス拡散層２８ａ，２８ｂは、電極２
２，２３での生成水が拡散および除去される速度を制御
し、または供給される気体中に含まれる水分の拡散速度
を制御する作用を有する。
２，２３での生成水が拡散および除去される速度を制御
し、または供給される気体中に含まれる水分の拡散速度
を制御する作用を有する。
【００７６】次に、電極基材を２層とした電極接合体を
用いた。
用いた。
【００７７】図４は、電極基材を２層とした電極接合体
の構造を示す断面図である。
の構造を示す断面図である。
【００７８】図４に示すように、電極接合体２９は、水
素イオン伝導性を有する固体高分子を含有する固体高分
子電解質膜３０と、この固体高分子電解質膜３０の両側
面に第１電極基材３１ａ，３１ｂが配置され、さらにこ
の第１電極基材３１ａ，３１ｂの両側面に第２電極基材
３２ａ，３２ｂが配置される。
素イオン伝導性を有する固体高分子を含有する固体高分
子電解質膜３０と、この固体高分子電解質膜３０の両側
面に第１電極基材３１ａ，３１ｂが配置され、さらにこ
の第１電極基材３１ａ，３１ｂの両側面に第２電極基材
３２ａ，３２ｂが配置される。
【００７９】第１電極基材３１ａ，３１ｂには、固体高
分子電解質膜３０側における電極基材３１ａ，３１ｂ表
面に触媒層３３ａ，３３ｂが形成され、この触媒層３３
ａ，３３ｂの背面にガス拡散層３４ａ，３４ｂが形成さ
れる。
分子電解質膜３０側における電極基材３１ａ，３１ｂ表
面に触媒層３３ａ，３３ｂが形成され、この触媒層３３
ａ，３３ｂの背面にガス拡散層３４ａ，３４ｂが形成さ
れる。
【００８０】この第２電極基材３２ａ，３２ｂは、ガス
拡散層３４ａ，３４ｂを保護すると同時に、機械的な強
度を保つ役割を果たす。この時、第１電極基材３１ａ，
３１ｂは機械的強度を有する必要がないので、第１電極
基材３１ａ，３１ｂとして、かさ密度０．２ｇ／ｃｍ３
程度で厚さ１００μｍ以下のカーボンペーパを使用し
て、気体の拡散を良くすることができる。
拡散層３４ａ，３４ｂを保護すると同時に、機械的な強
度を保つ役割を果たす。この時、第１電極基材３１ａ，
３１ｂは機械的強度を有する必要がないので、第１電極
基材３１ａ，３１ｂとして、かさ密度０．２ｇ／ｃｍ３
程度で厚さ１００μｍ以下のカーボンペーパを使用し
て、気体の拡散を良くすることができる。
【００８１】第１電極基材３１ａ，３１ｂと第２電極基
材３２ａ，３２ｂとは、第２電極基材３２ａ，３２ｂの
周辺部分に高分子系の樹脂を含浸し、２枚の電極基材を
重ねあわせて熱処理することにより貼り合わせる。な
お、樹脂を含浸する範囲は、発電部の外側であることが
望ましい。熱処理工程は触媒層に損傷を与えるので、２
枚の電極基材は触媒層を形成する前に貼り合わせる。な
お、貼り合わせることなく、重ね合わせて構成すること
も可能である。例えば、電池スタックを構成する際に、
十分にスタックを締め付けることにより重ね合わせただ
けでも、十分な電気的接触を得ることができる。
材３２ａ，３２ｂとは、第２電極基材３２ａ，３２ｂの
周辺部分に高分子系の樹脂を含浸し、２枚の電極基材を
重ねあわせて熱処理することにより貼り合わせる。な
お、樹脂を含浸する範囲は、発電部の外側であることが
望ましい。熱処理工程は触媒層に損傷を与えるので、２
枚の電極基材は触媒層を形成する前に貼り合わせる。な
お、貼り合わせることなく、重ね合わせて構成すること
も可能である。例えば、電池スタックを構成する際に、
十分にスタックを締め付けることにより重ね合わせただ
けでも、十分な電気的接触を得ることができる。
【００８２】本実施形態によれば、図３に示すように、
ガス拡散層２８ａ，２８ｂを設けることで、固体高分子
電解質膜２１に供給される水分量の急激な変化を緩衝し
て、外部からの水分供給量に電池の特性が過敏に反応す
ることを防止する効果を有する。
ガス拡散層２８ａ，２８ｂを設けることで、固体高分子
電解質膜２１に供給される水分量の急激な変化を緩衝し
て、外部からの水分供給量に電池の特性が過敏に反応す
ることを防止する効果を有する。
【００８３】また、図４に示すように、第２電極基材３
２ａ，３２ｂを貼り合わせることで、ガス拡散層３４
ａ，３４ｂを保護し、電極の機械的強度を増す作用を有
するだけでなく、第１電極基材３１ａ，３１ｂとして気
体の拡散が良い材料を使用することができる。
２ａ，３２ｂを貼り合わせることで、ガス拡散層３４
ａ，３４ｂを保護し、電極の機械的強度を増す作用を有
するだけでなく、第１電極基材３１ａ，３１ｂとして気
体の拡散が良い材料を使用することができる。
【００８４】従って、本実施形態によれば、反応に必要
な気体を触媒表面に効果的に拡散することができる。
な気体を触媒表面に効果的に拡散することができる。
【００８５】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
電極の機械的な強度を維持しながら、反応に必要な気体
の拡散を阻害することなく、電解液を含む触媒層に撥水
性を付与した固体高分子型燃料電池の電極およびその製
造方法を提供できる。
電極の機械的な強度を維持しながら、反応に必要な気体
の拡散を阻害することなく、電解液を含む触媒層に撥水
性を付与した固体高分子型燃料電池の電極およびその製
造方法を提供できる。
【図１】本発明の第１実施形態における、電極接合体を
模式的に示す断面図。
模式的に示す断面図。
【図２】本発明の第２実施形態における、電極接合体を
模式的に示す断面図。
模式的に示す断面図。
【図３】本発明の第３実施形態における、ガス拡散層を
形成した電極接合体を模式的に示す断面図。
形成した電極接合体を模式的に示す断面図。
【図４】本発明の第３実施形態における、電極基材を２
層とした電極接合体の構造を示す断面図。
層とした電極接合体の構造を示す断面図。
【図５】従来における、ＰＥＦＣの単電池の構成を示す
断面図。
断面図。
【図６】従来における、固体高分子型燃料電池の電極の
断面図。
断面図。
２０ 電極接合体 ２１ 固体高分子電解質膜 ２２ 燃料電極 ２３ 酸化剤電極 ２４ａ，２４ｂ 電極基材 ２５ａ，２５ｂ 触媒層 ２６ａ，２６ｂ 触媒層 ２７ａ，２７ｂ 外部触媒層 ２８ａ，２８ｂ ガス拡散層 ２９ 電極接合体 ３０ 固体高分子電解質膜 ３１ａ，３１ｂ 第１電極基材 ３２ａ，３２ｂ 第２電極基材 ３３ａ，３３ｂ 触媒層 ３４ａ，３４ｂ ガス拡散層
フロントページの続き Ｆターム(参考） 5H018 AA06 BB00 BB01 BB03 BB05 BB08 DD06 EE01 EE02 EE03 EE05 EE10 EE18 HH03 HH05 HH08 5H026 AA06 BB00 BB01 BB02 BB03 BB04 CX03 EE01 EE02 EE05 EE08 EE19 HH03 HH05 HH08
Claims (15)
- 【請求項１】 固体高分子型燃料電池に適用される電極
において、前記電極は、撥水処理を施した電極基材に、
この電極基材内の気孔中に炭素粉末を担体とする貴金属
触媒を埋め込み、電解質溶液を含浸させ固体高分子電解
質膜と接合される触媒層を形成し、この触媒層の厚さは
前記電極基材の厚さより薄いことを特徴とする固体高分
子型燃料電池の電極。 - 【請求項２】 請求項１記載の固体高分子型燃料電池の
電極において、全触媒層を、前記電極基材の内部に形成
される前記触媒層と、前記電極基材表面を被覆する外部
触媒層とから形成し、前記触媒層および前記外部触媒層
は連続して形成されることを特徴とする固体高分子型燃
料電池の電極。 - 【請求項３】 請求項１または２記載の固体高分子型燃
料電池の電極において、前記触媒層が形成された電極基
材の背面に、炭素粉末とフッ素系樹脂とからなるガス拡
散層が形成されることを特徴とする固体高分子型燃料電
池の電極。 - 【請求項４】 請求項３記載の固体高分子型燃料電池の
電極において、電極は、第１電極基材と、この第１電極
基材に形成される前記触媒層と、この触媒層の背面に形
成されるガス拡散層と、このガス拡散層に貼り合わされ
て配置される第２電極基材とから構成されることを特徴
とする固体高分子型燃料電池の電極。 - 【請求項５】 請求項４記載の固体高分子型燃料電池の
電極において、第１電極基材は、第２電極基材よりもか
さ密度が小さく、前記第１電極基材の厚さは１００μｍ
以下であることを特徴とする固体高分子型燃料電池の電
極。 - 【請求項６】 固体高分子型燃料電池に適用される電極
の製造方法において、電極基材に撥水処理を施す撥水処
理工程と、この撥水処理工程後、前記電極基材の気孔中
に、貴金属触媒を担持した炭素粉末、高分子電解質の溶
液および希釈用の溶媒を混合してなるスラリーを含浸し
た後、前記スラリー中の希釈用溶媒を蒸発および除去し
て前記電極基材に触媒層を形成する触媒層形成工程とを
有することを特徴とする固体高分子型燃料電池の電極の
製造方法。 - 【請求項７】 請求項６記載の固体高分子型燃料電池の
電極の製造方法において、撥水処理工程では、電極基材
の気孔中にフッ素系樹脂のディスパージョン溶液を含浸
後、３００℃以上で加熱処理することを特徴とする固体
高分子型燃料電池の電極の製造方法。 - 【請求項８】 請求項６記載の固体高分子型燃料電池の
電極の製造方法において、触媒層形成工程において、ス
ラリーを電極基材上に塗布後、ローラーにより前記電極
基材上部から圧縮し、前記スラリーを前記電極基材の気
孔中に含浸することを特徴とする固体高分子型燃料電池
の電極の製造方法。 - 【請求項９】 請求項６記載の固体高分子型燃料電池の
電極の製造方法において、触媒層形成工程において、ス
ラリーを電極基材上に塗布後、前記スラリーを前記電極
基材背面から吸引し、前記スラリーを前記電極基材の気
孔中に含浸することを特徴とする固体高分子型燃料電池
の電極の製造方法。 - 【請求項１０】 請求項８または９記載の固体高分子型
燃料電池の電極の製造方法において、スラリーは、固形
分の重量濃度が１０％以下である触媒を含むことを特徴
とする固体高分子型燃料電池の電極の製造方法。 - 【請求項１１】 請求項８または９記載の固体高分子型
燃料電池の電極の製造方法において、電極基材として、
カーボンペーパを用いることを特徴とする固体高分子型
燃料電池の電極の製造方法。 - 【請求項１２】 請求項８または９記載の固体高分子型
燃料電池の電極の製造方法において、電極基材として、
表面に導電性耐食処理を施した金属メッシュを用いるこ
とを特徴とする固体高分子型燃料電池の電極の製造方
法。 - 【請求項１３】 請求項８または９記載の固体高分子型
燃料電池の電極の製造方法において、電極基材として、
表面に導電性耐食処理を施したステンレスのメッシュを
用いることを特徴とする固体高分子型燃料電池の電極の
製造方法。 - 【請求項１４】 請求項８または９記載の固体高分子型
燃料電池の電極の製造方法において、電極基材として、
炭素、窒化チタンまたは窒化クロムのいずれかを表面に
被覆した金属メッシュを用いることを特徴とする固体高
分子型燃料電池の電極の製造方法。 - 【請求項１５】 請求項８または９記載の固体高分子型
燃料電池の電極の製造方法において、電極基材として、
金属メッシュの表面に、前記金属メッシュのホウ素化合
物または窒素化合物のいずれかを生成して被覆したもの
を用いることを特徴とする固体高分子型燃料電池の電極
の製造方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP34614599A JP2001160406A (ja) | 1999-12-06 | 1999-12-06 | 固体高分子型燃料電池の電極およびその製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP34614599A JP2001160406A (ja) | 1999-12-06 | 1999-12-06 | 固体高分子型燃料電池の電極およびその製造方法 |
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| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2001160406A true JP2001160406A (ja) | 2001-06-12 |
Family
ID=18381427
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|---|---|---|---|
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| JP (1) | JP2001160406A (ja) |
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-
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- 1999-12-06 JP JP34614599A patent/JP2001160406A/ja active Pending
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