JP3049267B2 - 高分子膜型燃料電池用の組成物、電極及び接合体 - Google Patents
高分子膜型燃料電池用の組成物、電極及び接合体Info
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Classifications
-
- 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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- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
- Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
- Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product
Landscapes
- Inert Electrodes (AREA)
- Fuel Cell (AREA)
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、高分子膜型燃料電池用
の組成物、電極及び接合体に関する。これら組成物、電
極及び接合体は、一対の導電性多孔質層と、各導電性多
孔質層の表面に設けられた陽イオン交換樹脂よりなる高
分子電解質層と、各電解質層の表面側に接合された陽イ
オン交換樹脂などからなる固体高分子膜と、各電解質層
及び導電性多孔質層の境界に配置された触媒金属とを有
する高分子膜型燃料電池に用いられる。
の組成物、電極及び接合体に関する。これら組成物、電
極及び接合体は、一対の導電性多孔質層と、各導電性多
孔質層の表面に設けられた陽イオン交換樹脂よりなる高
分子電解質層と、各電解質層の表面側に接合された陽イ
オン交換樹脂などからなる固体高分子膜と、各電解質層
及び導電性多孔質層の境界に配置された触媒金属とを有
する高分子膜型燃料電池に用いられる。
【０００２】
【従来の技術】従来、高分子膜型燃料電池に用いる電極
の製造方法として、例えばＵＳＰ４８７６１１５号公報
に記載された方法が知られている。この公報の方法で
は、触媒金属としての白金（粒径２０〜５０Å）を担持
したカーボン粒子の成形体を導電性多孔質層として採用
している。かかる白金担持カーボン成形体は、いわゆる
Ｐｒｏｔｏｔｅｃｈ法により得られ、Ｐｒｏｔｏｔｅｃ
ｈ社（Ｎｅｗｔｏｎ Ｈｉｇｈｌａｎｄｓ Ｍａｓｓａ
ｃｈｕｓｅｔｔｓ）より市販されている。
の製造方法として、例えばＵＳＰ４８７６１１５号公報
に記載された方法が知られている。この公報の方法で
は、触媒金属としての白金（粒径２０〜５０Å）を担持
したカーボン粒子の成形体を導電性多孔質層として採用
している。かかる白金担持カーボン成形体は、いわゆる
Ｐｒｏｔｏｔｅｃｈ法により得られ、Ｐｒｏｔｏｔｅｃ
ｈ社（Ｎｅｗｔｏｎ Ｈｉｇｈｌａｎｄｓ Ｍａｓｓａ
ｃｈｕｓｅｔｔｓ）より市販されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】触媒金属量は例えば高
分子膜型燃料電池の発電性能に影響を与えるが、製造コ
ストの低廉化のためには、高分子膜型燃料電池における
電極反応に必要な部位、すなわち導電性多孔質層と電解
質との境界のみに存在することが好ましい。しかし、上
記公報記載の方法では、成形体全体に触媒金属が担持さ
れており、電極反応に不必要な部位にまで触媒金属が存
在することから、高価な触媒金属の利用に無駄がある。
分子膜型燃料電池の発電性能に影響を与えるが、製造コ
ストの低廉化のためには、高分子膜型燃料電池における
電極反応に必要な部位、すなわち導電性多孔質層と電解
質との境界のみに存在することが好ましい。しかし、上
記公報記載の方法では、成形体全体に触媒金属が担持さ
れており、電極反応に不必要な部位にまで触媒金属が存
在することから、高価な触媒金属の利用に無駄がある。
【０００４】また、白金担持カーボン成形体の厚みを極
めて薄くすることにより、触媒金属量を低減させた高分
子膜型燃料電池を製造せんとすれば、成形体の厚みを薄
くすることが困難であり、かつ成形体の機械的強度が確
保できないため、高分子膜型燃料電池を容易に製造する
ことができず、かつ耐久性が確保できない。本発明は、
発電性能に影響を与えることなく触媒金属を有効に利用
できる高分子膜型燃料電池用の組成物を提供し、もって
高分子膜型燃料電池を安価かつ容易に製造可能な高分子
膜型燃料電池用の電極及び接合体を提供することを目的
とする。
めて薄くすることにより、触媒金属量を低減させた高分
子膜型燃料電池を製造せんとすれば、成形体の厚みを薄
くすることが困難であり、かつ成形体の機械的強度が確
保できないため、高分子膜型燃料電池を容易に製造する
ことができず、かつ耐久性が確保できない。本発明は、
発電性能に影響を与えることなく触媒金属を有効に利用
できる高分子膜型燃料電池用の組成物を提供し、もって
高分子膜型燃料電池を安価かつ容易に製造可能な高分子
膜型燃料電池用の電極及び接合体を提供することを目的
とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】本発明者らは、特公昭５
８−４７４７１号公報において電解用接合体を製造する
方法を提案している。この方法では、陽イオン交換膜に
白金族金属のイオンを室温ないし高温下でイオン交換吸
着せしめ、次いで還元剤溶液で処理し、陽イオン交換膜
の表面に金属層を析出させている。本発明者らは、上記
目的を解決すべく、この方法を応用しつつ、特に新しい
触媒担持方法の研究を鋭意重ねた結果、本発明を完成さ
せるに至ったものである。
８−４７４７１号公報において電解用接合体を製造する
方法を提案している。この方法では、陽イオン交換膜に
白金族金属のイオンを室温ないし高温下でイオン交換吸
着せしめ、次いで還元剤溶液で処理し、陽イオン交換膜
の表面に金属層を析出させている。本発明者らは、上記
目的を解決すべく、この方法を応用しつつ、特に新しい
触媒担持方法の研究を鋭意重ねた結果、本発明を完成さ
せるに至ったものである。
【０００６】すなわち、本発明の高分子膜型燃料電池用
の組成物は、一対の導電性多孔質層と、各該導電性多孔
質層の表面に設けられた陽イオン交換樹脂よりなる高分
子電解質層と、各該電解質層の表面側に接合された固体
高分子膜と、各該電解質層及び該導電性多孔質層の境界
に配置された触媒金属とを有する高分子膜型燃料電池を
製造するための組成物であって、 陽イオンの一部として
該触媒金属を含む陽イオンをもつ該陽イオン交換樹脂
と、該陽イオン交換樹脂を溶解した溶媒とからなること
を特徴とする。また、本発明の高分子膜型燃料電池用の
電極は、一対の導電性多孔質層と、各該導電性多孔質層
の表面に設けられた陽イオン交換樹脂よりなる高分子電
解質層と、各該電解質層の表面側に接合された固体高分
子膜と、各該電解質層及び該導電性多孔質層の境界に配
置された触媒金属とを有する高分子膜型燃料電池を製造
するための電極であって、 前記電極は、前記導電性多孔
質層と、該導電性多孔質層の表面に設けられた前記高分
子電解質層と、該電解質層及び該導電性多孔質層の境界
に配置された前記触媒金属とからなり、該触媒金属は、
陽イオンの一部として触媒金属を含む陽イオンをもつ前
記陽イオン交換樹脂と、該陽イオン交換樹脂を溶解した
溶媒とからなる高分子膜型燃料電池用の組成物を該導電
性多孔質層に付着させた後、該触媒金属を含む陽イオン
を還元して形成された該陽イオン交換樹脂の表面に表出
したものであることを特徴とする。さらに、本発明の高
分子膜型燃料電池用の接合体は、一対の導電性多孔質層
と、各該導電性多孔質層の表面に設けられた陽イオン交
換樹脂よりなる高分子電解質層と、各該電解質層の表面
側に接合された固体高分子膜と、各該電解質層及び該導
電性多孔質層の境界に配置された触媒金属とを有する高
分子膜型燃料電池を製造するための接合体であって、前
記接合体は、各前記導電性多孔質層と、各該導電性多孔
質層の表面に設けられた高分子電解質層と、各該電解質
層の表面側に接合された固体高分子膜と、各該電解質層
及び該導電性多孔質層の境界に配置された触媒金属とか
らなり、 該触媒金属は、陽イオンの一部として触媒金属
を含む陽イオンをもつ前記陽イオン交換樹脂と、該陽イ
オン交換樹脂を溶解した溶媒とからなる高分子膜型燃料
電池用の組成物を各該導電性多孔質層に付着させた後、
該触媒金属を含む陽イオンを還元して形成された該陽イ
オン交換樹脂の表面に表出したものであることを特徴と
する。
の組成物は、一対の導電性多孔質層と、各該導電性多孔
質層の表面に設けられた陽イオン交換樹脂よりなる高分
子電解質層と、各該電解質層の表面側に接合された固体
高分子膜と、各該電解質層及び該導電性多孔質層の境界
に配置された触媒金属とを有する高分子膜型燃料電池を
製造するための組成物であって、 陽イオンの一部として
該触媒金属を含む陽イオンをもつ該陽イオン交換樹脂
と、該陽イオン交換樹脂を溶解した溶媒とからなること
を特徴とする。また、本発明の高分子膜型燃料電池用の
電極は、一対の導電性多孔質層と、各該導電性多孔質層
の表面に設けられた陽イオン交換樹脂よりなる高分子電
解質層と、各該電解質層の表面側に接合された固体高分
子膜と、各該電解質層及び該導電性多孔質層の境界に配
置された触媒金属とを有する高分子膜型燃料電池を製造
するための電極であって、 前記電極は、前記導電性多孔
質層と、該導電性多孔質層の表面に設けられた前記高分
子電解質層と、該電解質層及び該導電性多孔質層の境界
に配置された前記触媒金属とからなり、該触媒金属は、
陽イオンの一部として触媒金属を含む陽イオンをもつ前
記陽イオン交換樹脂と、該陽イオン交換樹脂を溶解した
溶媒とからなる高分子膜型燃料電池用の組成物を該導電
性多孔質層に付着させた後、該触媒金属を含む陽イオン
を還元して形成された該陽イオン交換樹脂の表面に表出
したものであることを特徴とする。さらに、本発明の高
分子膜型燃料電池用の接合体は、一対の導電性多孔質層
と、各該導電性多孔質層の表面に設けられた陽イオン交
換樹脂よりなる高分子電解質層と、各該電解質層の表面
側に接合された固体高分子膜と、各該電解質層及び該導
電性多孔質層の境界に配置された触媒金属とを有する高
分子膜型燃料電池を製造するための接合体であって、前
記接合体は、各前記導電性多孔質層と、各該導電性多孔
質層の表面に設けられた高分子電解質層と、各該電解質
層の表面側に接合された固体高分子膜と、各該電解質層
及び該導電性多孔質層の境界に配置された触媒金属とか
らなり、 該触媒金属は、陽イオンの一部として触媒金属
を含む陽イオンをもつ前記陽イオン交換樹脂と、該陽イ
オン交換樹脂を溶解した溶媒とからなる高分子膜型燃料
電池用の組成物を各該導電性多孔質層に付着させた後、
該触媒金属を含む陽イオンを還元して形成された該陽イ
オン交換樹脂の表面に表出したものであることを特徴と
する。
【０００７】本発明の高分子膜型燃料電池用の組成物、
電極及び接合体における陽イオン交換樹脂としては、例
えばフッ素系イオン交換樹脂では、一般式
電極及び接合体における陽イオン交換樹脂としては、例
えばフッ素系イオン交換樹脂では、一般式
【０００８】
【化１】
【０００９】のもの、具体的には、一般式において、ｍ
＝１，２，…、ｎ＝２で表される商品名：Ｎａｆｉｏｎ
（登録商標、Ｄｕ Ｐｏｎｔ社）、ｍ＝０，１、ｎ＝１
〜５で表される商品名：Ｆｌｅｍｉｏｎ（登録商標、旭
硝子社）、ｍ＝０，１、ｎ＝３〜５で表される商品名：
Ａｃｉｐｌｅｘ（登録商標、旭硝子社）、ｍ＝０、ｎ＝
２で表されるＤｏｗ Ｃｈｅｍｉｃａｌ社の陽イオン交
換樹脂を採用することができる。また、炭化水素系カチ
オン交換膜では、
＝１，２，…、ｎ＝２で表される商品名：Ｎａｆｉｏｎ
（登録商標、Ｄｕ Ｐｏｎｔ社）、ｍ＝０，１、ｎ＝１
〜５で表される商品名：Ｆｌｅｍｉｏｎ（登録商標、旭
硝子社）、ｍ＝０，１、ｎ＝３〜５で表される商品名：
Ａｃｉｐｌｅｘ（登録商標、旭硝子社）、ｍ＝０、ｎ＝
２で表されるＤｏｗ Ｃｈｅｍｉｃａｌ社の陽イオン交
換樹脂を採用することができる。また、炭化水素系カチ
オン交換膜では、
【００１０】
【化２】
【００１１】の商品名：ネオセプタ（登録商標、徳山曹
達社）や商品名：セレミオン（登録商標、旭硝子社）を
採用することができる。陽イオン交換樹脂は、イオン交
換基として一般式のようなスルホン酸基の他にカルボン
酸基をもつものがあるが、これらのうち、スルホン酸基
を有するものであることが好ましい。陽イオン交換樹脂
の陽イオンの一部が触媒金属を含む陽イオンと置換しや
すいことと、電気化学セルに用いた場合、低抵抗である
からである。
達社）や商品名：セレミオン（登録商標、旭硝子社）を
採用することができる。陽イオン交換樹脂は、イオン交
換基として一般式のようなスルホン酸基の他にカルボン
酸基をもつものがあるが、これらのうち、スルホン酸基
を有するものであることが好ましい。陽イオン交換樹脂
の陽イオンの一部が触媒金属を含む陽イオンと置換しや
すいことと、電気化学セルに用いた場合、低抵抗である
からである。
【００１２】本発明の高分子膜型燃料電池用の組成物、
電極及び接合体における触媒金属としては、白金族元
素、すなわちルテニウムＲｕ、ロジウムＲｈ、パラジウ
ムＰｄ、オスニウムＯｓ、イリジウムＩｒ、白金Ｐｔを
採用することができる。触媒金属の陽イオンは、白金族
元素としてＰｔを採用するのであれば、 〔Ｐｔ（ＮＨ3 ）4 〕2+、 〔Ｐｔ（ＮＨ3 ）6 〕4+、 〔ＰｔＣｌ（ＮＨ3 ）5 〕3+ 等のアンミン錯イオン形態であることが好ましい。陽イ
オン交換樹脂の陽イオンの一部が触媒金属を含む陽イオ
ンと置換しやすいからである。
電極及び接合体における触媒金属としては、白金族元
素、すなわちルテニウムＲｕ、ロジウムＲｈ、パラジウ
ムＰｄ、オスニウムＯｓ、イリジウムＩｒ、白金Ｐｔを
採用することができる。触媒金属の陽イオンは、白金族
元素としてＰｔを採用するのであれば、 〔Ｐｔ（ＮＨ3 ）4 〕2+、 〔Ｐｔ（ＮＨ3 ）6 〕4+、 〔ＰｔＣｌ（ＮＨ3 ）5 〕3+ 等のアンミン錯イオン形態であることが好ましい。陽イ
オン交換樹脂の陽イオンの一部が触媒金属を含む陽イオ
ンと置換しやすいからである。
【００１３】本発明の高分子膜型燃料電池用の電極及び
接合体における導電性多孔質層としては、カーボンブラ
ック粒子からなるカーボン成形体、撥水性を付与するＰ
ＴＦＥあるいは他のフッ素樹脂がバインダとされてカー
ボンブラック粒子を成形したカーボンテフロン混合成形
体を採用することができる。また、カーボンブラック粒
子の代わりに黒鉛等の他の炭素粉末やカーボンファイ
バ、貴金属粉末、Ｔｉ粉末などの金属微粒子を採用した
成形体も採用できる。
接合体における導電性多孔質層としては、カーボンブラ
ック粒子からなるカーボン成形体、撥水性を付与するＰ
ＴＦＥあるいは他のフッ素樹脂がバインダとされてカー
ボンブラック粒子を成形したカーボンテフロン混合成形
体を採用することができる。また、カーボンブラック粒
子の代わりに黒鉛等の他の炭素粉末やカーボンファイ
バ、貴金属粉末、Ｔｉ粉末などの金属微粒子を採用した
成形体も採用できる。
【００１４】
【作用】本発明の高分子膜型燃料電池用の組成物では、
陽イオン交換樹脂の陽イオンの一部として触媒金属の陽
イオンが含まれている。この組成物を導電性多孔質層に
付着させた後、触媒金属を含む陽イオンを還元させれ
ば、陽イオン交換樹脂の表面に微細な触媒金属の粒子が
均一に析出する。このため、本発明の高分子膜型燃料電
池用の電極及び接合体において、本発明の高分子膜型燃
料電池用の組成物を導電性多孔質層に付着させる量、陽
イオン交換樹脂において触媒金属の陽イオン含有量、あ
るいは組成物の濃度を制御すれば、陽イオン交換樹脂の
表面に表出する触媒金属量が制御される。このため、電
極反応に必要な部位、すなわち導電性多孔質層と電解質
との境界のみに触媒金属を必要な量だけ析出せしめるこ
とができる。
陽イオン交換樹脂の陽イオンの一部として触媒金属の陽
イオンが含まれている。この組成物を導電性多孔質層に
付着させた後、触媒金属を含む陽イオンを還元させれ
ば、陽イオン交換樹脂の表面に微細な触媒金属の粒子が
均一に析出する。このため、本発明の高分子膜型燃料電
池用の電極及び接合体において、本発明の高分子膜型燃
料電池用の組成物を導電性多孔質層に付着させる量、陽
イオン交換樹脂において触媒金属の陽イオン含有量、あ
るいは組成物の濃度を制御すれば、陽イオン交換樹脂の
表面に表出する触媒金属量が制御される。このため、電
極反応に必要な部位、すなわち導電性多孔質層と電解質
との境界のみに触媒金属を必要な量だけ析出せしめるこ
とができる。
【００１５】このため、高分子膜型燃料電池を安価かつ
容易に製造することができ、かつ耐久性も確保される。
容易に製造することができ、かつ耐久性も確保される。
【００１６】
【実施例】以下、本発明を具体化した実施例を比較例と
ともに図面を参照しつつ説明する。 ｛実施例｝ １．高分子膜型燃料電池用の組成物の作成 商品名：Ｎａｆｉｏｎ（登録商標、Ｄｕ Ｐｏｎｔ社）
を陽イオン交換樹脂として採用し、この陽イオン交換樹
脂をイソプロパノール：９０重量％及び水：１０重量％
の有機溶媒に溶解させた５重量％の溶液を、室温で放置
することにより乾燥し、固体状の溶質を得る。なお、乾
燥は室温〜１１０℃以下の温度で放置又は加熱すること
により行なうことができる。
ともに図面を参照しつつ説明する。 ｛実施例｝ １．高分子膜型燃料電池用の組成物の作成 商品名：Ｎａｆｉｏｎ（登録商標、Ｄｕ Ｐｏｎｔ社）
を陽イオン交換樹脂として採用し、この陽イオン交換樹
脂をイソプロパノール：９０重量％及び水：１０重量％
の有機溶媒に溶解させた５重量％の溶液を、室温で放置
することにより乾燥し、固体状の溶質を得る。なお、乾
燥は室温〜１１０℃以下の温度で放置又は加熱すること
により行なうことができる。
【００１７】この溶質を〔Ｐｔ（ＮＨ3 ）4 〕2+Ｃｌ2
・Ｈ2 Ｏを含む水溶液に浸漬し、陽イオン交換樹脂の陽
イオンの一部を白金の陽イオンと置換せしめる。これに
アルコールあるいは水との混合液を添加して溶解し、陽
イオン交換樹脂が数％〜数１０％含まれる溶液を得る。
こうして、陽イオンの一部としてＰｔを含む陽イオンを
もつ陽イオン交換樹脂と、この陽イオン交換樹脂を溶解
したアルコール及び水とからなる高分子膜型燃料電池用
の組成物を得る。
・Ｈ2 Ｏを含む水溶液に浸漬し、陽イオン交換樹脂の陽
イオンの一部を白金の陽イオンと置換せしめる。これに
アルコールあるいは水との混合液を添加して溶解し、陽
イオン交換樹脂が数％〜数１０％含まれる溶液を得る。
こうして、陽イオンの一部としてＰｔを含む陽イオンを
もつ陽イオン交換樹脂と、この陽イオン交換樹脂を溶解
したアルコール及び水とからなる高分子膜型燃料電池用
の組成物を得る。
【００１８】２．高分子膜型燃料電池用の電極の製造 図１に示すように、カーボンテフロン混合成形体（Φ３
６．５ｍｍ、厚み０．１ｍｍ、気孔率６０％）１を導電
性多孔質層として用意する。この成形体１は、カーボン
ブラック粒子１１と、カーボンブラック粒子１１を結合
させ、同時に成形体１に撥水性を付与するＰＴＦＥ粒子
１２とからなる。図２に示すように、不活性ガス中にお
いて、この成形体１の表面に高分子膜型燃料電池用の組
成物２を０．３２ｍｌ／１０ｃｍ2 塗布する。組成物２
を塗布した成形体１を真空乾燥機内に保持し、７０℃で
２時間程度乾燥させる。これにより、組成物２のアルコ
ール及び水を除去し、Ｐｔの陽イオンをもつ陽イオン交
換樹脂からなる高分子電解質層２２を形成する。
６．５ｍｍ、厚み０．１ｍｍ、気孔率６０％）１を導電
性多孔質層として用意する。この成形体１は、カーボン
ブラック粒子１１と、カーボンブラック粒子１１を結合
させ、同時に成形体１に撥水性を付与するＰＴＦＥ粒子
１２とからなる。図２に示すように、不活性ガス中にお
いて、この成形体１の表面に高分子膜型燃料電池用の組
成物２を０．３２ｍｌ／１０ｃｍ2 塗布する。組成物２
を塗布した成形体１を真空乾燥機内に保持し、７０℃で
２時間程度乾燥させる。これにより、組成物２のアルコ
ール及び水を除去し、Ｐｔの陽イオンをもつ陽イオン交
換樹脂からなる高分子電解質層２２を形成する。
【００１９】高分子電解質層２２が形成された成形体１
を１４５℃、４〜５時間の条件で水素ガスにより還元処
理する。これにより、図３に示すように、高分子膜型燃
料電池用の電極１が得られる。この電極１では高分子電
解質層２２の表面に微細なＰｔ粒子２１が均一に析出す
る。こうして、高分子膜型燃料電池用の組成物２の塗布
量を制御することにより、高分子電解質層２２における
Ｐｔの陽イオン量を０．０５〜０．５ｍｇ／ｃｍ2 の範
囲で一定に制御可能である。
を１４５℃、４〜５時間の条件で水素ガスにより還元処
理する。これにより、図３に示すように、高分子膜型燃
料電池用の電極１が得られる。この電極１では高分子電
解質層２２の表面に微細なＰｔ粒子２１が均一に析出す
る。こうして、高分子膜型燃料電池用の組成物２の塗布
量を制御することにより、高分子電解質層２２における
Ｐｔの陽イオン量を０．０５〜０．５ｍｇ／ｃｍ2 の範
囲で一定に制御可能である。
【００２０】図４に示すように、固体高分子膜たる陽イ
オン交換膜（縦６０ｍｍ、横６０ｍｍ）３として商品
名：Ｎａｆｉｏｎ（登録商標、Ｄｕ Ｐｏｎｔ社）を用
意するとともに、一対の電極基材４１、４２としてＰＴ
ＦＥにより撥水性が付与されたカーボンファイバー集電
体（厚み０．３ｍｍ）を用意する。また、前記還元処理
した一対の高分子膜型燃料電池用の電極１を用意する。
オン交換膜（縦６０ｍｍ、横６０ｍｍ）３として商品
名：Ｎａｆｉｏｎ（登録商標、Ｄｕ Ｐｏｎｔ社）を用
意するとともに、一対の電極基材４１、４２としてＰＴ
ＦＥにより撥水性が付与されたカーボンファイバー集電
体（厚み０．３ｍｍ）を用意する。また、前記還元処理
した一対の高分子膜型燃料電池用の電極１を用意する。
【００２１】固体高分子膜３側にＰｔ２１が対面するよ
うに還元処理した一対の高分子膜型燃料電池用の電極１
を挟持し、さらにこれらの外側に電極基材４１、４２を
挟持する。これらをホットプレスとして、１００℃に加
熱後、１４０℃の下、８０ｋｇ／ｃｍ2 で９０秒間保持
する。この後、Φ６０ｍｍに切断し、高分子膜型燃料電
池用の接合体５を得る。この高分子膜型燃料電池用の接
合体５は、高分子膜型燃料電池用の電極１において高分
子電解質層２２の存在しない部分である一対の導電性多
孔質層５２と、各導電性多孔質層５２の表面に設けられ
た高分子電解質層２２と、各高分子電解質層２２の表面
側に接合された固体高分子膜３と、各高分子電解質層２
２及び導電性多孔質層５２の境界に配置されたＰｔ２１
とを有する。ここで、各高分子電解質層２２及び固体高
分子膜３が電解質５１を構成している。こうして、この
高分子膜型燃料電池用の接合体５では、電極反応に必要
な部位、すなわち電解質５１の高分子電解質層２２及び
導電性多孔質層５２の境界のみにＰｔ２１を必要な量だ
け析出せしめられている。
うに還元処理した一対の高分子膜型燃料電池用の電極１
を挟持し、さらにこれらの外側に電極基材４１、４２を
挟持する。これらをホットプレスとして、１００℃に加
熱後、１４０℃の下、８０ｋｇ／ｃｍ2 で９０秒間保持
する。この後、Φ６０ｍｍに切断し、高分子膜型燃料電
池用の接合体５を得る。この高分子膜型燃料電池用の接
合体５は、高分子膜型燃料電池用の電極１において高分
子電解質層２２の存在しない部分である一対の導電性多
孔質層５２と、各導電性多孔質層５２の表面に設けられ
た高分子電解質層２２と、各高分子電解質層２２の表面
側に接合された固体高分子膜３と、各高分子電解質層２
２及び導電性多孔質層５２の境界に配置されたＰｔ２１
とを有する。ここで、各高分子電解質層２２及び固体高
分子膜３が電解質５１を構成している。こうして、この
高分子膜型燃料電池用の接合体５では、電極反応に必要
な部位、すなわち電解質５１の高分子電解質層２２及び
導電性多孔質層５２の境界のみにＰｔ２１を必要な量だ
け析出せしめられている。
【００２２】３．燃料電池の製造 図５に示すように、この高分子膜型燃料電池用の接合体
５を電極基材４１、４２側が開口した供給管６１、６２
間に挟持し、一方の供給管６１からは水蒸気と空気とを
供給し、他方の供給管６２からは水蒸気と水素とを供給
させる。こうして、単セル（１枚の高分子膜型燃料電池
用の接合体５）型の燃料電池とする。
５を電極基材４１、４２側が開口した供給管６１、６２
間に挟持し、一方の供給管６１からは水蒸気と空気とを
供給し、他方の供給管６２からは水蒸気と水素とを供給
させる。こうして、単セル（１枚の高分子膜型燃料電池
用の接合体５）型の燃料電池とする。
【００２３】この燃料電池においても、従来の高分子膜
型燃料電池と同様、供給管６２から供給される水素が導
電性多孔質層５２で細孔内拡散し、細孔をもつ電解質５
１である高分子電解質層２２においてＰｔ２１を触媒と
し、電解質５１である固体高分子膜３に存在する供給管
６１から供給された空気中の酸素と反応する。生成した
水は導電性多孔質層５２で細孔内拡散し、供給管６１、
６２に循環する。同時に、電子のやりとりが電極基材４
１、４２で行われるため、発電が行われる。 ｛比較例｝ 比較例として、従来の電極接合体による単セル型の燃料
電池を製造する。
型燃料電池と同様、供給管６２から供給される水素が導
電性多孔質層５２で細孔内拡散し、細孔をもつ電解質５
１である高分子電解質層２２においてＰｔ２１を触媒と
し、電解質５１である固体高分子膜３に存在する供給管
６１から供給された空気中の酸素と反応する。生成した
水は導電性多孔質層５２で細孔内拡散し、供給管６１、
６２に循環する。同時に、電子のやりとりが電極基材４
１、４２で行われるため、発電が行われる。 ｛比較例｝ 比較例として、従来の電極接合体による単セル型の燃料
電池を製造する。
【００２４】まず、実施例と同種のカーボンテフロン混
合成形体７１を用意する。そして、塩化白金酸１ｇをエ
タノール１０ｍｌに溶解させ、かかる溶液に成形体７１
を浸漬し、４ｍｇ／ｃｍ2 のＰｔ担持量になるように、
成形体７１に溶液を１．２ｍｌ／１０ｃｍ2 含浸させ
る。溶液を含浸させた成形体７１を１５０℃〜２００
℃、３０〜６０秒間保持し、エタノールを消失させて乾
燥する。これを実施例と同様に還元する。こうして、Ｐ
ｔ２１が担持された一対の成形体７１を得る。なお、カ
ーボンブラック粒子及びＰＴＦＥ粒子は実施例と同一符
号を付す。
合成形体７１を用意する。そして、塩化白金酸１ｇをエ
タノール１０ｍｌに溶解させ、かかる溶液に成形体７１
を浸漬し、４ｍｇ／ｃｍ2 のＰｔ担持量になるように、
成形体７１に溶液を１．２ｍｌ／１０ｃｍ2 含浸させ
る。溶液を含浸させた成形体７１を１５０℃〜２００
℃、３０〜６０秒間保持し、エタノールを消失させて乾
燥する。これを実施例と同様に還元する。こうして、Ｐ
ｔ２１が担持された一対の成形体７１を得る。なお、カ
ーボンブラック粒子及びＰＴＦＥ粒子は実施例と同一符
号を付す。
【００２５】商品名：Ｎａｆｉｏｎ（登録商標、Ｄｕ
Ｐｏｎｔ社）を陽イオン交換樹脂として採用し、この陽
イオン交換樹脂をイソプロパノール：９０重量％及び
水：１０重量％の有機溶媒に溶解させ、５重量％の溶液
を得る。還元処理した成形体７１にこの溶液を０．３２
ｍｌ／１０ｃｍ2 塗布し、実施例と同様に乾燥させる。
こうして、Ｐｔ２１が担持されているとともに、高分子
電解質層２２が形成された一対の成形体７１を得る。
Ｐｏｎｔ社）を陽イオン交換樹脂として採用し、この陽
イオン交換樹脂をイソプロパノール：９０重量％及び
水：１０重量％の有機溶媒に溶解させ、５重量％の溶液
を得る。還元処理した成形体７１にこの溶液を０．３２
ｍｌ／１０ｃｍ2 塗布し、実施例と同様に乾燥させる。
こうして、Ｐｔ２１が担持されているとともに、高分子
電解質層２２が形成された一対の成形体７１を得る。
【００２６】また、実施例と同種の固体高分子膜３と、
電極基材４１、４２とを用意する。また、上記Ｐｔ２１
が担持され、かつ高分子電解質層２２が形成された一対
の成形体７１を用意する。図６に示すように、固体高分
子膜３側にＰｔ２１が対面するように一対の成形体７１
を挟持し、これらの外側に電極基材４１、４２を挟持す
る。これらを実施例と同様にホットプレスし、高分子膜
型燃料電池用の接合体８を得る。この高分子膜型燃料電
池用の接合体８により実施例と同様に単セル型の燃料電
池とする。 ｛評価｝ 実施例及び比較例における燃料電池での発電性能を評価
すべく、電極基材４１、４２にリード線を接合して電圧
計を取り付ける。電流密度（Ａ／ｃｍ2 ）と電位（Ｖ）
との関係を図７に示す。
電極基材４１、４２とを用意する。また、上記Ｐｔ２１
が担持され、かつ高分子電解質層２２が形成された一対
の成形体７１を用意する。図６に示すように、固体高分
子膜３側にＰｔ２１が対面するように一対の成形体７１
を挟持し、これらの外側に電極基材４１、４２を挟持す
る。これらを実施例と同様にホットプレスし、高分子膜
型燃料電池用の接合体８を得る。この高分子膜型燃料電
池用の接合体８により実施例と同様に単セル型の燃料電
池とする。 ｛評価｝ 実施例及び比較例における燃料電池での発電性能を評価
すべく、電極基材４１、４２にリード線を接合して電圧
計を取り付ける。電流密度（Ａ／ｃｍ2 ）と電位（Ｖ）
との関係を図７に示す。
【００２７】図７より、実施例の燃料電池では、比較例
のものと比較してＰｔ担持量が大幅に低減しているにも
かかわらず、発電性能は従来品と同等あるいはそれ以上
であることがわかる。なお、上記実施例では、水素還元
方法により触媒金属の還元を行ったが、電気化学的還元
法も採用することができる。例えば、まず成形体１に高
分子膜型燃料電池用の組成物２を塗布し、この成形体１
を同様に乾燥した後、水素還元を施さないで同様に高分
子膜型燃料電池用の接合体５を作製する。この後、１．
５〜２．０Ｖの電圧を印加すると、陰極側で電気化学的
に還元が起こる。この処理後、燃料電池に適用する。ま
た、ＮａＢＨ4 等の還元剤を使用する還元法も採用する
ことができる。
のものと比較してＰｔ担持量が大幅に低減しているにも
かかわらず、発電性能は従来品と同等あるいはそれ以上
であることがわかる。なお、上記実施例では、水素還元
方法により触媒金属の還元を行ったが、電気化学的還元
法も採用することができる。例えば、まず成形体１に高
分子膜型燃料電池用の組成物２を塗布し、この成形体１
を同様に乾燥した後、水素還元を施さないで同様に高分
子膜型燃料電池用の接合体５を作製する。この後、１．
５〜２．０Ｖの電圧を印加すると、陰極側で電気化学的
に還元が起こる。この処理後、燃料電池に適用する。ま
た、ＮａＢＨ4 等の還元剤を使用する還元法も採用する
ことができる。
【００２８】
【発明の効果】以上詳述したように、本発明の高分子膜
型燃料電池用の組成物は、陽イオン交換樹脂が触媒金属
の陽イオンをもつため、これが電極反応が起こる場所に
還元析出される。このため、発電性能に影響を与えるこ
となく触媒金属を有効に利用できる。また、本発明の高
分子膜型燃料電池用の電極及び接合体は、高分子膜型燃
料電池用の組成物を導電性多孔質層に付着させる量を制
御することにより、高価な白金触媒量を最小にすること
ができるので、高分子膜型燃料電池を安価かつ容易に製
造できる。
型燃料電池用の組成物は、陽イオン交換樹脂が触媒金属
の陽イオンをもつため、これが電極反応が起こる場所に
還元析出される。このため、発電性能に影響を与えるこ
となく触媒金属を有効に利用できる。また、本発明の高
分子膜型燃料電池用の電極及び接合体は、高分子膜型燃
料電池用の組成物を導電性多孔質層に付着させる量を制
御することにより、高価な白金触媒量を最小にすること
ができるので、高分子膜型燃料電池を安価かつ容易に製
造できる。
【図１】実施例の高分子膜型燃料電池用の電極に係る成
形体の模式拡大断面図である。
形体の模式拡大断面図である。
【図２】実施例の高分子膜型燃料電池用の電極に係る成
形体に高分子膜型燃料電池用の組成物を塗布した状態を
示す模式拡大断面図である。
形体に高分子膜型燃料電池用の組成物を塗布した状態を
示す模式拡大断面図である。
【図３】実施例の高分子膜型燃料電池用の電極に係る成
形体を還元処理した状態を示す模式拡大断面図である。
形体を還元処理した状態を示す模式拡大断面図である。
【図４】実施例の高分子膜型燃料電池用の接合体の模式
断面図である。
断面図である。
【図５】実施例の高分子膜型燃料電池用の接合体を用い
た燃料電池の構成図である。
た燃料電池の構成図である。
【図６】比較例の高分子膜型燃料電池用の接合体の模式
断面図である。
断面図である。
【図７】実施例と比較例との燃料電池の特性を示すグラ
フである。
フである。
１…成形体、導電性多孔質層、高分子膜型燃料電池用の
電極 ２…高分子膜型燃料電池用の組成物 ２２…高分子電解質層 ３…固体高分子膜 ５１…電解質 ５２…導電性多孔質層 ２１…Ｐｔ（触媒金属） ５…高分子膜型燃料電池用の接合体
電極 ２…高分子膜型燃料電池用の組成物 ２２…高分子電解質層 ３…固体高分子膜 ５１…電解質 ５２…導電性多孔質層 ２１…Ｐｔ（触媒金属） ５…高分子膜型燃料電池用の接合体
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平６−44984（ＪＰ，Ａ) 特公 昭58−47471（ＪＰ，Ｂ２) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H01M 4/86 - 4/98 H01M 8/00 - 8/24 C25B 9/00 - 13/08
Claims (9)
- 【請求項１】一対の導電性多孔質層と、各該導電性多孔
質層の表面に設けられた陽イオン交換樹脂よりなる高分
子電解質層と、各該電解質層の表面側に接合された固体
高分子膜と、各該電解質層及び該導電性多孔質層の境界
に配置された触媒金属とを有する高分子膜型燃料電池を
製造するための組成物であって、 陽イオンの一部として該触媒金属を含む陽イオンをもつ
該陽イオン交換樹脂と、該陽イオン交換樹脂を溶解した
溶媒とからなることを特徴とする高分子膜型燃料電池用
の組成物。 - 【請求項２】陽イオン交換樹脂がスルホン酸基を有する
ことを特徴とする請求項１記載の高分子膜型燃料電池用
の組成物。 - 【請求項３】触媒金属の陽イオンがアンミン錯イオン形
態であることを特徴とする請求項１又は２記載の高分子
膜型燃料電池用の組成物。 - 【請求項４】一対の導電性多孔質層と、各該導電性多孔
質層の表面に設けられた陽イオン交換樹脂よりなる高分
子電解質層と、各該電解質層の表面側に接合された固体
高分子膜と、各該電解質層及び該導電性多孔質層の境界
に配置された触媒金属とを有する高分子膜型燃料電池を
製造するための電極であって、 前記電極は、前記導電性多孔質層と、該導電性多孔質層
の表面に設けられた前記高分子電解質層と、該電解質層
及び該導電性多孔質層の境界に配置された前記触媒金属
とからなり、 該 触媒金属は、陽イオンの一部として触媒金属を含む陽
イオンをもつ前記陽イオン交換樹脂と、該陽イオン交換
樹脂を溶解した溶媒とからなる高分子膜型燃料電池用の
組成物を該導電性多孔質層に付着させた後、該触媒金属
を含む陽イオンを還元して形成された該陽イオン交換樹
脂の表面に表出したものであることを特徴とする高分子
膜型燃料電池用の電極。 - 【請求項５】陽イオン交換樹脂がスルホン酸基を有する
ことを特徴とする請求項４記載の高分子膜型燃料電池用
の電極。 - 【請求項６】触媒金属の陽イオンがアンミン錯イオン形
態であることを特徴とする請求項４又は５記載の高分子
膜型燃料電池用の電極。 - 【請求項７】一対の導電性多孔質層と、各該導電性多孔
質層の表面に設けられ た陽イオン交換樹脂よりなる高分
子電解質層と、各該電解質層の表面側に接合された固体
高分子膜と、各該電解質層及び該導電性多孔質層の境界
に配置された触媒金属とを有する高分子膜型燃料電池を
製造するための接合体であって、 前記接合体は、各前記導電性多孔質層と、各該導電性多
孔質層の表面に設けられた高分子電解質層と、各該電解
質層の表面側に接合された固体高分子膜と、各該電解質
層及び該導電性多孔質層の境界に配置された触媒金属と
からなり、 該触媒金属は、陽イオンの一部として触媒金属を含む陽
イオンをもつ前記陽イオン交換樹脂と、該陽イオン交換
樹脂を溶解した溶媒とからなる高分子膜型燃料電池用の
組成物を各該導電性多孔質層に付着させた後、該触媒金
属を含む陽イオンを還元して形成された該陽イオン交換
樹脂の表面に表出したものであることを特徴とする高分
子膜型燃料電池用の接合体。 - 【請求項８】陽イオン交換樹脂がスルホン酸基を有する
ことを特徴とする請求項７記載の高分子膜型燃料電池用
の接合体。 - 【請求項９】触媒金属の陽イオンがアンミン錯イオン形
態であることを特徴とする請求項７又は８記載の高分子
膜型燃料電池用の接合体。
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|---|---|---|---|
| JP5040220A JP3049267B2 (ja) | 1993-03-01 | 1993-03-01 | 高分子膜型燃料電池用の組成物、電極及び接合体 |
Applications Claiming Priority (1)
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|---|---|---|---|
| JP5040220A JP3049267B2 (ja) | 1993-03-01 | 1993-03-01 | 高分子膜型燃料電池用の組成物、電極及び接合体 |
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ID=12574687
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| JP5040220A Expired - Lifetime JP3049267B2 (ja) | 1993-03-01 | 1993-03-01 | 高分子膜型燃料電池用の組成物、電極及び接合体 |
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