JPH07183035A - 固体高分子型燃料電池とその製造方法 - Google Patents
固体高分子型燃料電池とその製造方法Info
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- JPH07183035A JPH07183035A JP6062635A JP6263594A JPH07183035A JP H07183035 A JPH07183035 A JP H07183035A JP 6062635 A JP6062635 A JP 6062635A JP 6263594 A JP6263594 A JP 6263594A JP H07183035 A JPH07183035 A JP H07183035A
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 固体高分子電解質と触媒を均質に分散付着さ
せることによって電極の反応面積を増大させ、さらに触
媒を過多に被覆しないようフッ素樹脂を添加することに
よってガス供給路を形成させて高い性能を発揮する固体
高分子型燃料電池とその製造方法を提供する。 【構成】 固体高分子電解質膜とこの膜の少なくとも片
面に配した電極とを備え、分子内に水酸基以外の極性基
を有しかつ極性基に結合する炭素鎖の炭素数が１〜８で
ある有機溶媒あるいは誘電率が３〜１０の有機溶媒を用
いて調整した固体高分子電解質のコロイド状分散液と、
貴金属触媒と炭素微粉末とを混合し、この混合分散液を
ガス拡散層の片面上に塗布して電極とした。
せることによって電極の反応面積を増大させ、さらに触
媒を過多に被覆しないようフッ素樹脂を添加することに
よってガス供給路を形成させて高い性能を発揮する固体
高分子型燃料電池とその製造方法を提供する。 【構成】 固体高分子電解質膜とこの膜の少なくとも片
面に配した電極とを備え、分子内に水酸基以外の極性基
を有しかつ極性基に結合する炭素鎖の炭素数が１〜８で
ある有機溶媒あるいは誘電率が３〜１０の有機溶媒を用
いて調整した固体高分子電解質のコロイド状分散液と、
貴金属触媒と炭素微粉末とを混合し、この混合分散液を
ガス拡散層の片面上に塗布して電極とした。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、燃料として純水素、あ
るいはメタノールまたは化石燃料からの改質水素などの
還元剤を用い、空気や酸素を酸化剤とする燃料電池に関
するものであり、さらに詳しくは固体高分子型燃料電池
と固体高分子電解質膜と電極の接合体及びその製造方法
に関するものである。
るいはメタノールまたは化石燃料からの改質水素などの
還元剤を用い、空気や酸素を酸化剤とする燃料電池に関
するものであり、さらに詳しくは固体高分子型燃料電池
と固体高分子電解質膜と電極の接合体及びその製造方法
に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】固体高分子型燃料電池の放電性能を左右
する最も重要な因子の１つは、固体高分子電解質膜と電
極との界面での、反応ガスの供給路となる細孔と含水に
よりプロトン導電性を持った固体高分子電解質と電子導
電体の電極材料とが形成する三相界面における反応面積
の広さである。
する最も重要な因子の１つは、固体高分子電解質膜と電
極との界面での、反応ガスの供給路となる細孔と含水に
よりプロトン導電性を持った固体高分子電解質と電子導
電体の電極材料とが形成する三相界面における反応面積
の広さである。
【０００３】これまでこの三相界面を増大させるため
に、電極材料と固体高分子電解質とを混合分散させた層
を、膜と多孔質電極の界面に付与する試みがなされてき
た。例えば、特公昭６２−６１１１８号公報、特公昭６
２−６１１１９号公報では、固体高分子電解質の溶液と
触媒化合物の混合物を固体高分子膜上に塗着し、電極材
料とホットプレスした後触媒化合物を還元する方法、も
しくは還元後塗着し、ホットプレスを行う方法を用いて
いた。
に、電極材料と固体高分子電解質とを混合分散させた層
を、膜と多孔質電極の界面に付与する試みがなされてき
た。例えば、特公昭６２−６１１１８号公報、特公昭６
２−６１１１９号公報では、固体高分子電解質の溶液と
触媒化合物の混合物を固体高分子膜上に塗着し、電極材
料とホットプレスした後触媒化合物を還元する方法、も
しくは還元後塗着し、ホットプレスを行う方法を用いて
いた。
【０００４】特公平２−４８６３２号公報では、多孔質
電極を成型後、電極上にイオン交換膜樹脂の溶液を散布
し、この電極とイオン交換膜とをホットプレスする方法
を用いていた。また、特開平３−１８４２６６号公報で
は、高分子樹脂表面に固体高分子電解質を被覆した粉末
を、特開平３−２９５１７２号公報では固体高分子電解
質の粉末を電極中に混合する方法ををそれぞれ用いてい
る。特開平５−３６４１８号公報では、固体高分子電解
質と触媒と炭素粉末とフッ素樹脂を混合し、成膜して電
極とする方法を開示している。
電極を成型後、電極上にイオン交換膜樹脂の溶液を散布
し、この電極とイオン交換膜とをホットプレスする方法
を用いていた。また、特開平３−１８４２６６号公報で
は、高分子樹脂表面に固体高分子電解質を被覆した粉末
を、特開平３−２９５１７２号公報では固体高分子電解
質の粉末を電極中に混合する方法ををそれぞれ用いてい
る。特開平５−３６４１８号公報では、固体高分子電解
質と触媒と炭素粉末とフッ素樹脂を混合し、成膜して電
極とする方法を開示している。
【０００５】以上の特許はすべて固体高分子電解質の溶
液にはアルコール類の溶媒を用いている。さらに米国特
許５，２１１，９８４号明細書では、グリセリンもしく
はテトラブチルアンモニウム塩を溶媒として固体高分子
電解質と触媒と炭素粉末のインク状分散液を作成し、ポ
リテトラフルオロエチレン（以下、ＰＴＦＥという）製
フィルム上に成型した後固体高分子電解質膜表面に転写
する方法、もしくは固体高分子電解質膜の交換基をＮａ
型に置換した後に、その膜の表面に上記インク状分散液
を塗布して１２５℃以上で加熱乾燥し、交換基を再度Ｈ
型に置換する方法が報告されている。
液にはアルコール類の溶媒を用いている。さらに米国特
許５，２１１，９８４号明細書では、グリセリンもしく
はテトラブチルアンモニウム塩を溶媒として固体高分子
電解質と触媒と炭素粉末のインク状分散液を作成し、ポ
リテトラフルオロエチレン（以下、ＰＴＦＥという）製
フィルム上に成型した後固体高分子電解質膜表面に転写
する方法、もしくは固体高分子電解質膜の交換基をＮａ
型に置換した後に、その膜の表面に上記インク状分散液
を塗布して１２５℃以上で加熱乾燥し、交換基を再度Ｈ
型に置換する方法が報告されている。
【０００６】また固体高分子型燃料電池の特徴である高
出力密度を実現するには、電極触媒層に反応ガスの供給
路（ガスチャネル）を形成し、ガスの透過・拡散能を高
めることが重要となる。そこでフッ素樹脂などの撥水材
を電極触媒層に添加し、ガスチャネルを形成する試みが
なされてきた。
出力密度を実現するには、電極触媒層に反応ガスの供給
路（ガスチャネル）を形成し、ガスの透過・拡散能を高
めることが重要となる。そこでフッ素樹脂などの撥水材
を電極触媒層に添加し、ガスチャネルを形成する試みが
なされてきた。
【０００７】例えば特開平５−３６４１８号公報ではＰ
ＴＦＥ粉末と触媒を担持した炭素粉末とを固体高分子電
解質溶液に分散・混練して触媒層を作製している。ま
た、特開平４−２６４３６７号公報では触媒を担持した
炭素粉末とＰＴＦＥのコロイド液との混合液を用いて電
極を作製している。
ＴＦＥ粉末と触媒を担持した炭素粉末とを固体高分子電
解質溶液に分散・混練して触媒層を作製している。ま
た、特開平４−２６４３６７号公報では触媒を担持した
炭素粉末とＰＴＦＥのコロイド液との混合液を用いて電
極を作製している。
【０００８】さらにＪ．Ｅｌｅｃｔｒｏａｎａｌ．Ｃｈ
ｅｍ．１９７（１９８６）の１９５頁では、ＰＴＦＥに
より撥水処理した炭素粉末と触媒を担持した炭素粉末と
を混合して、酸性電解液用のガス拡散電極を作製してい
る。一方、米国特許５，２１１，９８４号明細書では、
上記のような撥水材を用いずに固体高分子電解質と触媒
と炭素粉末のみで電極の触媒層を作製している。
ｅｍ．１９７（１９８６）の１９５頁では、ＰＴＦＥに
より撥水処理した炭素粉末と触媒を担持した炭素粉末と
を混合して、酸性電解液用のガス拡散電極を作製してい
る。一方、米国特許５，２１１，９８４号明細書では、
上記のような撥水材を用いずに固体高分子電解質と触媒
と炭素粉末のみで電極の触媒層を作製している。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら上記特許
等に記載されている従来の方法では、固体高分子電解質
と触媒との接触度合いが不十分な状態であるために、電
極とイオン交換膜との界面に十分な反応面積が確保でき
ないという欠点を有していた。
等に記載されている従来の方法では、固体高分子電解質
と触媒との接触度合いが不十分な状態であるために、電
極とイオン交換膜との界面に十分な反応面積が確保でき
ないという欠点を有していた。
【００１０】また、アルコール類の溶媒を用いた分散液
を多孔質基板上に塗布した場合、または上記のインク状
分散液を多孔質基板上に塗布した場合は、基板内部に分
散液が侵入もしくは透過してしまうため、基板表面部分
に直接に成型することができず、転写などの複雑な加工
技術を必要とした。
を多孔質基板上に塗布した場合、または上記のインク状
分散液を多孔質基板上に塗布した場合は、基板内部に分
散液が侵入もしくは透過してしまうため、基板表面部分
に直接に成型することができず、転写などの複雑な加工
技術を必要とした。
【００１１】さらに上記に記載の膜表面にインク状分散
液を直接塗布する方法では、膜の交換基を何度も置換す
る複雑な製造技術を必要とした。
液を直接塗布する方法では、膜の交換基を何度も置換す
る複雑な製造技術を必要とした。
【００１２】また上記のフッ素樹脂の添加方法では、フ
ッ素樹脂によって触媒粒子が過多に被覆されて反応面積
が減少し、分極特性が低下するという欠点を有してい
た。一方上記のＪ．Ｅｌｅｃｔｒｏａｎａｌ．Ｃｈｅ
ｍ．１９７（１９８６）１９５頁のようにＰＴＦＥによ
って撥水処理した炭素粉末を用いると、ＰＴＦＥによる
触媒粒子の被覆は抑制できるが、固体高分子電解質を用
いた場合の撥水処理した炭素粉末の添加の有無やその添
加率による効果の検討が行われていなかった。また触媒
を担持した炭素粉末と固体高分子電解質のみで電極を作
製すると、生成水によるフラッディングによって高電流
密度での電池電圧が低くなるか、あるいは不安定となる
という欠点を有していた。
ッ素樹脂によって触媒粒子が過多に被覆されて反応面積
が減少し、分極特性が低下するという欠点を有してい
た。一方上記のＪ．Ｅｌｅｃｔｒｏａｎａｌ．Ｃｈｅ
ｍ．１９７（１９８６）１９５頁のようにＰＴＦＥによ
って撥水処理した炭素粉末を用いると、ＰＴＦＥによる
触媒粒子の被覆は抑制できるが、固体高分子電解質を用
いた場合の撥水処理した炭素粉末の添加の有無やその添
加率による効果の検討が行われていなかった。また触媒
を担持した炭素粉末と固体高分子電解質のみで電極を作
製すると、生成水によるフラッディングによって高電流
密度での電池電圧が低くなるか、あるいは不安定となる
という欠点を有していた。
【００１３】本発明は上記従来の課題を解決するもの
で、固体高分子電解質と触媒を十分な確率で接触させる
ことによって電極内部の反応面積を増大させ、より高い
性能を発揮する固体高分子型燃料電池と、その製造方法
および固体高分子電解質膜と電極の接合体を実現するた
めの簡便な方法を提供することを主たる目的とする。
で、固体高分子電解質と触媒を十分な確率で接触させる
ことによって電極内部の反応面積を増大させ、より高い
性能を発揮する固体高分子型燃料電池と、その製造方法
および固体高分子電解質膜と電極の接合体を実現するた
めの簡便な方法を提供することを主たる目的とする。
【００１４】またフッ素樹脂を添加して触媒を過多に被
覆することなくガスチャネルを形成し、電極のガス透過
能を高め、高電流密度域でより高い性能を発揮する固体
高分子型燃料電池とその製造方法を提供することを第２
の目的とする。
覆することなくガスチャネルを形成し、電極のガス透過
能を高め、高電流密度域でより高い性能を発揮する固体
高分子型燃料電池とその製造方法を提供することを第２
の目的とする。
【００１５】本発明の他の目的は、以下の説明および実
施例で明らかにする。
施例で明らかにする。
【００１６】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明は固体高分子電解質膜と、その少なくとも片
面に配した電極とを備え、電極は少なくとも貴金属触媒
と炭素粉末と固体高分子電解質を含有し、これは固体高
分子電解質のコロイド状分散液を作成した後、上記コロ
イド状分散液に貴金属触媒と炭素粉末好ましくは微粉末
を混合した混合液をガス拡散層上に塗布したことを特徴
とする固体高分子型燃料電池およびその製造方法を主題
とするものである。
に、本発明は固体高分子電解質膜と、その少なくとも片
面に配した電極とを備え、電極は少なくとも貴金属触媒
と炭素粉末と固体高分子電解質を含有し、これは固体高
分子電解質のコロイド状分散液を作成した後、上記コロ
イド状分散液に貴金属触媒と炭素粉末好ましくは微粉末
を混合した混合液をガス拡散層上に塗布したことを特徴
とする固体高分子型燃料電池およびその製造方法を主題
とするものである。
【００１７】また、上記コロイド状分散液を作成するた
めに、分子内に水酸基以外の極性基を有しかつ極性基に
結合する炭素鎖の炭素数が１〜８である有機溶媒と固体
高分子電解質のアルコール溶液とを混合する方法を選定
し、さらに上記の有機溶媒として、例えば分子内にエス
テル基を有し、かつ炭素数１〜７の炭素鎖を有する単独
溶媒かあるいはその混合物を用いるものである。さらに
また、誘電率が３〜１０の単独かあるいはその混合物で
ある有機溶媒を用いたものである。
めに、分子内に水酸基以外の極性基を有しかつ極性基に
結合する炭素鎖の炭素数が１〜８である有機溶媒と固体
高分子電解質のアルコール溶液とを混合する方法を選定
し、さらに上記の有機溶媒として、例えば分子内にエス
テル基を有し、かつ炭素数１〜７の炭素鎖を有する単独
溶媒かあるいはその混合物を用いるものである。さらに
また、誘電率が３〜１０の単独かあるいはその混合物で
ある有機溶媒を用いたものである。
【００１８】さらにフッ素樹脂の添加率が、重量比で２
５〜７０％である撥水処理した炭素微粉末を、貴金属触
媒を担持した炭素微粉末の炭素重量に対して総量の１０
〜５０重量％添加し、これを固体高分子電解質のコロイ
ド状分散液に添加・混合してガス拡散層上に塗布し、電
極を成型一体化することを特徴とする固体高分子型燃料
電池の製造方法を提供するものである。
５〜７０％である撥水処理した炭素微粉末を、貴金属触
媒を担持した炭素微粉末の炭素重量に対して総量の１０
〜５０重量％添加し、これを固体高分子電解質のコロイ
ド状分散液に添加・混合してガス拡散層上に塗布し、電
極を成型一体化することを特徴とする固体高分子型燃料
電池の製造方法を提供するものである。
【００１９】
【作用】以上のような製造方法によって、図２に示すよ
うに電極５０の触媒層５１の内部で、触媒の微粒子５２
と炭素微粉末５３と固体高分子電解質１１とを、相互に
均一に密着した状態で分散させることが可能になった。
うに電極５０の触媒層５１の内部で、触媒の微粒子５２
と炭素微粉末５３と固体高分子電解質１１とを、相互に
均一に密着した状態で分散させることが可能になった。
【００２０】このような触媒層５１の構成によって、水
素などの燃料ガスもしくは酸素などの酸化剤ガスの供給
路となる炭素粉末５３相互の空孔が形成するガスチャネ
ル５５と、含水した固体高分子電解質１１が形成するプ
ロトンチャネル５６と、炭素微粉末相互が接続して形成
する電子チャネル５４の３つのチャネルが、同じ触媒層
内部の極めて近傍に効率よく形成できる。図中５８は、
固体高分子電解質膜である。
素などの燃料ガスもしくは酸素などの酸化剤ガスの供給
路となる炭素粉末５３相互の空孔が形成するガスチャネ
ル５５と、含水した固体高分子電解質１１が形成するプ
ロトンチャネル５６と、炭素微粉末相互が接続して形成
する電子チャネル５４の３つのチャネルが、同じ触媒層
内部の極めて近傍に効率よく形成できる。図中５８は、
固体高分子電解質膜である。
【００２１】従って、水素極では、
【００２２】
【化１】
【００２３】に示す反応により、また、酸素極では、
【００２４】
【化２】
【００２５】に示す反応により、水素及び酸素ガスの供
給と、プロトン及び電子の伝達が同時にかつスムーズに
広範囲で行われるようになるため、反応速度及び反応面
積が増大して、より高い放電性能を発揮する固体高分子
型燃料電池を実現することが可能となる。
給と、プロトン及び電子の伝達が同時にかつスムーズに
広範囲で行われるようになるため、反応速度及び反応面
積が増大して、より高い放電性能を発揮する固体高分子
型燃料電池を実現することが可能となる。
【００２６】また、図３に示すように触媒層５１にさら
にフッ素樹脂５９で撥水処理した炭素微粉末を添加する
ことによって、触媒粒子５２を過多に被覆することなく
ガスチャネル５５を形成でき、高電流密度域でより高い
分極特性を示す固体高分子型燃料電池を実現することが
可能となる。
にフッ素樹脂５９で撥水処理した炭素微粉末を添加する
ことによって、触媒粒子５２を過多に被覆することなく
ガスチャネル５５を形成でき、高電流密度域でより高い
分極特性を示す固体高分子型燃料電池を実現することが
可能となる。
【００２７】
【実施例】以下、実施例により、本発明をさらに詳しく
説明する。
説明する。
【００２８】（実施例１）本発明における第１の工程と
第２の工程を示した図１、および全ての製造工程のパタ
ーンを示した図６を用いて、本発明の製造方法を説明す
る。
第２の工程を示した図１、および全ての製造工程のパタ
ーンを示した図６を用いて、本発明の製造方法を説明す
る。
【００２９】まず、第１の工程では、図１（ａ）に示す
固体高分子電解質１１を含むアルコール溶液１２と有機
溶媒２１とを混合・攪拌することによって図１（ｂ）に
示す固体高分子電解質１１のコロイド状分散液を生成す
る。第２の工程において、このコロイド状分散液に、触
媒を担持した炭素粉末３１を添加すると、図１（ｃ）に
示すように固体高分子電解質１１が触媒を担持した炭素
微粉末３１の表面に吸着する。有機溶媒の量と分子鎖の
違いにより固体高分子電解質１１の凝集の大きさは変化
し、吸着の均一性を制御できる。この固体高分子電解質
１１を吸着した触媒を担持した炭素微粉末３１同士を超
音波分散などを用いて衝突させると、吸着高分子がほか
の炭素微粉末５３にも吸着し、図１（ｄ）のように橋か
け凝集を生じて分散液がコロイド、詳しくはペースト状
になる。
固体高分子電解質１１を含むアルコール溶液１２と有機
溶媒２１とを混合・攪拌することによって図１（ｂ）に
示す固体高分子電解質１１のコロイド状分散液を生成す
る。第２の工程において、このコロイド状分散液に、触
媒を担持した炭素粉末３１を添加すると、図１（ｃ）に
示すように固体高分子電解質１１が触媒を担持した炭素
微粉末３１の表面に吸着する。有機溶媒の量と分子鎖の
違いにより固体高分子電解質１１の凝集の大きさは変化
し、吸着の均一性を制御できる。この固体高分子電解質
１１を吸着した触媒を担持した炭素微粉末３１同士を超
音波分散などを用いて衝突させると、吸着高分子がほか
の炭素微粉末５３にも吸着し、図１（ｄ）のように橋か
け凝集を生じて分散液がコロイド、詳しくはペースト状
になる。
【００３０】図６に示した第３の工程では、このペース
トをガス拡散層５７上に塗布して成型する。第２の工程
での橋かけ凝集によりガス拡散層５７内部への触媒を担
持した炭素微粉末３１の侵入が防止され、溶媒のみがろ
過分離されて、ガス拡散層５７の表面への触媒層５１の
形成が可能となる。第４の工程では、固体高分子電解質
膜５８に電極５０をホットプレスすることにより電池が
作製される。その概略図を図２に示している。
トをガス拡散層５７上に塗布して成型する。第２の工程
での橋かけ凝集によりガス拡散層５７内部への触媒を担
持した炭素微粉末３１の侵入が防止され、溶媒のみがろ
過分離されて、ガス拡散層５７の表面への触媒層５１の
形成が可能となる。第４の工程では、固体高分子電解質
膜５８に電極５０をホットプレスすることにより電池が
作製される。その概略図を図２に示している。
【００３１】上記の第１の工程では、エステル類の有機
溶媒としてｎ−酢酸ブチル（ＣＨ3ＣＯＯＣＨ2（Ｃ
Ｈ2）2ＣＨ3）と固体高分子電解質として米国アルドリ
ッチ・ケミカル社製の商品名“５％Ｎａｆｉｏｎ溶液”
を用いた。Ｎａｆｉｏｎ高分子１ｇに対してｎ−酢酸ブ
チル６０ｇを混合することによって、白色のコロイド状
分散液が生じた。
溶媒としてｎ−酢酸ブチル（ＣＨ3ＣＯＯＣＨ2（Ｃ
Ｈ2）2ＣＨ3）と固体高分子電解質として米国アルドリ
ッチ・ケミカル社製の商品名“５％Ｎａｆｉｏｎ溶液”
を用いた。Ｎａｆｉｏｎ高分子１ｇに対してｎ−酢酸ブ
チル６０ｇを混合することによって、白色のコロイド状
分散液が生じた。
【００３２】第２の工程において、上記のコロイド状分
散液に白金触媒を１０〜２５重量％担持させた炭素微粉
末５０ｇを添加すると、分散していた固体高分子電解質
が触媒を担持した炭素微粉末表面に吸着し、上澄み液は
透明に変化した。この固体高分子電解質の吸着した炭素
粉末同士を超音波分散器を用いて衝突させると、吸着高
分子がほかの炭素粉末にも吸着して橋かけ凝集を生じ、
分散液がペースト状になった。
散液に白金触媒を１０〜２５重量％担持させた炭素微粉
末５０ｇを添加すると、分散していた固体高分子電解質
が触媒を担持した炭素微粉末表面に吸着し、上澄み液は
透明に変化した。この固体高分子電解質の吸着した炭素
粉末同士を超音波分散器を用いて衝突させると、吸着高
分子がほかの炭素粉末にも吸着して橋かけ凝集を生じ、
分散液がペースト状になった。
【００３３】第３の工程で、このペーストを重量比で予
め２０〜６０％のフッ素樹脂を添加した（株）東レ製の
カーボンペーパ基板上に塗着した。第２の工程での橋か
け凝集がカーボンペーパ内部への触媒微粒子の侵入を防
ぎ、溶媒のみが分離ろ過されて、基板表面に触媒層の成
型が可能となった。第４の工程で米国デュポン社製の商
品名Ｎａｆｉｏｎ膜の両面に上記電極を１２０〜２００
℃の温度、５〜１００ｋｇ／ｃｍ2の圧力を加えてホッ
トプレスし、電池Ａを作製した。
め２０〜６０％のフッ素樹脂を添加した（株）東レ製の
カーボンペーパ基板上に塗着した。第２の工程での橋か
け凝集がカーボンペーパ内部への触媒微粒子の侵入を防
ぎ、溶媒のみが分離ろ過されて、基板表面に触媒層の成
型が可能となった。第４の工程で米国デュポン社製の商
品名Ｎａｆｉｏｎ膜の両面に上記電極を１２０〜２００
℃の温度、５〜１００ｋｇ／ｃｍ2の圧力を加えてホッ
トプレスし、電池Ａを作製した。
【００３４】この実施例１ではエステル類の有機溶媒と
してｎ−酢酸ブチルを用いたが、溶媒の炭素鎖の違いに
よりコロイド状分散液の分散状態が変化し、極性基に結
合する炭素鎖の炭素数８以上のエステル溶媒、例えばア
クリル酸２−エチルヘキシルに固体高分子電解質の分散
液を添加した場合には、固体高分子電解質が白色の沈殿
を生じた。沈殿すると第２工程での炭素粉末への吸着の
均一性が低下するため固体高分子電解質の分散が悪くな
り、電池の分極特性がほとんど取り出せなかった。
してｎ−酢酸ブチルを用いたが、溶媒の炭素鎖の違いに
よりコロイド状分散液の分散状態が変化し、極性基に結
合する炭素鎖の炭素数８以上のエステル溶媒、例えばア
クリル酸２−エチルヘキシルに固体高分子電解質の分散
液を添加した場合には、固体高分子電解質が白色の沈殿
を生じた。沈殿すると第２工程での炭素粉末への吸着の
均一性が低下するため固体高分子電解質の分散が悪くな
り、電池の分極特性がほとんど取り出せなかった。
【００３５】（実施例２）上記の第１の工程において、
エーテル類の有機溶媒としてテトラヒドロフラン（Ｃ4
Ｈ8Ｏ）を用いた他は、全く実施例１と同様の工程と
し、電池Ｂを作製した。
エーテル類の有機溶媒としてテトラヒドロフラン（Ｃ4
Ｈ8Ｏ）を用いた他は、全く実施例１と同様の工程と
し、電池Ｂを作製した。
【００３６】この実施例２ではエーテル類の有機溶媒と
してテトラヒドロフランを用いたが、溶媒の炭素鎖の違
いによりコロイド状分散液の分散状態が変化し、極性基
に結合する炭素鎖の炭素数２以下のエーテル溶媒、例え
ばジエチルエーテルに固体高分子電解質の分散液を添加
した場合にはコロイド状分散液は生成しなかった。ま
た、極性基に結合する炭素鎖の炭素数６以上のエーテル
溶媒、例えばジヘキシルエーテルに固体高分子電解質の
分散液を添加した場合には、固体高分子電解質が白色の
沈殿を生じ、電池の分極特性がほとんど取り出せなかっ
た。
してテトラヒドロフランを用いたが、溶媒の炭素鎖の違
いによりコロイド状分散液の分散状態が変化し、極性基
に結合する炭素鎖の炭素数２以下のエーテル溶媒、例え
ばジエチルエーテルに固体高分子電解質の分散液を添加
した場合にはコロイド状分散液は生成しなかった。ま
た、極性基に結合する炭素鎖の炭素数６以上のエーテル
溶媒、例えばジヘキシルエーテルに固体高分子電解質の
分散液を添加した場合には、固体高分子電解質が白色の
沈殿を生じ、電池の分極特性がほとんど取り出せなかっ
た。
【００３７】（実施例３）上記の第１の工程において、
ケトン類の有機溶媒としてメチルアミルケトン（ＣＨ3
ＣＯ（ＣＨ2）4ＣＨ3）を用いた他は、全く実施例１と
同様の工程とし、電池Ｃを作製した。
ケトン類の有機溶媒としてメチルアミルケトン（ＣＨ3
ＣＯ（ＣＨ2）4ＣＨ3）を用いた他は、全く実施例１と
同様の工程とし、電池Ｃを作製した。
【００３８】この実施例３ではケトン類の有機溶媒とし
てメチルアミルケトンを用いたが、溶媒の炭素鎖の違い
によりコロイド状分散液の分散状態が変化し、極性基に
結合する炭素鎖の炭素数３以下のケトン溶媒、例えばメ
チルエチルケトン、メチルプロピルケトンに固体高分子
電解質の分散液を添加した場合にはコロイド状分散液は
生成しなかった。
てメチルアミルケトンを用いたが、溶媒の炭素鎖の違い
によりコロイド状分散液の分散状態が変化し、極性基に
結合する炭素鎖の炭素数３以下のケトン溶媒、例えばメ
チルエチルケトン、メチルプロピルケトンに固体高分子
電解質の分散液を添加した場合にはコロイド状分散液は
生成しなかった。
【００３９】また、極性基に結合する炭素鎖の炭素数９
以上のケトン溶媒、例えばメチル−ｎ−ノニルケトンに
固体高分子電解質の分散液を添加した場合には、固体高
分子電解質が白色の沈殿を生じ、電池の分極特性がほと
んど取り出せなかった。
以上のケトン溶媒、例えばメチル−ｎ−ノニルケトンに
固体高分子電解質の分散液を添加した場合には、固体高
分子電解質が白色の沈殿を生じ、電池の分極特性がほと
んど取り出せなかった。
【００４０】（実施例４）上記の第１の工程において、
アミン類の有機溶媒としてｎ−ブチルアミン（ＣＨ
3（ＣＨ2）3ＮＨ2）を用いた他は、全く実施例１と同様
の工程とし、電池Ｄを作製した。
アミン類の有機溶媒としてｎ−ブチルアミン（ＣＨ
3（ＣＨ2）3ＮＨ2）を用いた他は、全く実施例１と同様
の工程とし、電池Ｄを作製した。
【００４１】この実施例４ではアミン類の有機溶媒とし
てｎ−ブチルアミンを用いたが、溶媒の炭素鎖の違いに
よりコロイド状分散液の分散状態が変化し、極性基に結
合する炭素鎖の炭素数６以上のアミン溶媒、例えばシク
ロヘキシルアミンに固体高分子電解質の分散液を添加し
た場合には、固体高分子電解質が白色の沈殿を生じ、電
池の分極特性がほとんど取り出せなかった。
てｎ−ブチルアミンを用いたが、溶媒の炭素鎖の違いに
よりコロイド状分散液の分散状態が変化し、極性基に結
合する炭素鎖の炭素数６以上のアミン溶媒、例えばシク
ロヘキシルアミンに固体高分子電解質の分散液を添加し
た場合には、固体高分子電解質が白色の沈殿を生じ、電
池の分極特性がほとんど取り出せなかった。
【００４２】（実施例５）上記の第１の工程において、
カルボン酸類の有機溶媒としてｎ−酪酸（ＣＨ３（ＣＨ
２）２ＣＯＯＨ）を用いた他は、全く実施例１と同様の
工程とし、電池Ｅを作製した。
カルボン酸類の有機溶媒としてｎ−酪酸（ＣＨ３（ＣＨ
２）２ＣＯＯＨ）を用いた他は、全く実施例１と同様の
工程とし、電池Ｅを作製した。
【００４３】この実施例５ではカルボン酸類の有機溶媒
としてｎ−酪酸を用いたが、溶媒の炭素鎖の違いにより
コロイド状分散液の分散状態が変化し、極性基に結合す
る炭素鎖の炭素数７以上のカルボン酸溶媒、例えばオク
タン酸に固体高分子電解質の分散液を添加した場合に
は、固体高分子電解質が白色の沈殿を生じ、電池の分極
特性がほとんど取り出せなかった。
としてｎ−酪酸を用いたが、溶媒の炭素鎖の違いにより
コロイド状分散液の分散状態が変化し、極性基に結合す
る炭素鎖の炭素数７以上のカルボン酸溶媒、例えばオク
タン酸に固体高分子電解質の分散液を添加した場合に
は、固体高分子電解質が白色の沈殿を生じ、電池の分極
特性がほとんど取り出せなかった。
【００４４】他の有機溶媒としてアルコール類およびグ
リコール類、例えばイソプロピルアルコール、エチレン
グリコール、デシルアルコールを用いたが、これらすべ
ての溶媒はコロイド状分散液を生成せず、本発明のよう
な効果が得られなかった。
リコール類、例えばイソプロピルアルコール、エチレン
グリコール、デシルアルコールを用いたが、これらすべ
ての溶媒はコロイド状分散液を生成せず、本発明のよう
な効果が得られなかった。
【００４５】また、極性基を持たない有機溶媒、例えば
ヘキサン、トルエン、ドデカン、シクロヘキサン、ベン
ゼン、ナフサ、ケロシン等に固体高分子電解質の分散液
を添加した場合には、固体高分子電解質が白色の沈殿を
生じ、固体高分子電解質の分散が悪く電池の分極特性は
ほとんど取り出せなかった。
ヘキサン、トルエン、ドデカン、シクロヘキサン、ベン
ゼン、ナフサ、ケロシン等に固体高分子電解質の分散液
を添加した場合には、固体高分子電解質が白色の沈殿を
生じ、固体高分子電解質の分散が悪く電池の分極特性は
ほとんど取り出せなかった。
【００４６】（実施例６）上記の第１の工程において、
実施例１で用いた誘電率５．０１の有機溶媒としてｎ−
酢酸ブチル（ＣＨ3ＣＯＯＣＨ2（ＣＨ2）2ＣＨ3）、実施
例２で用いた誘電率７．５８の有機溶媒としてテトラヒ
ドロフラン（Ｃ4Ｈ8Ｏ）、実施例３で用いた誘電率９．
７７の有機溶媒としてメチルアミルケトン（ＣＨ3ＣＯ
（ＣＨ2）4ＣＨ3）と共に誘電率３．４４の有機溶媒と
してプロピオン酸（Ｃ2Ｈ5ＣＯＯＨ）を用い、それ以外
は全く実施例１と同様の工程とし、電池Ａ、Ｂ、Ｃとと
もに電池Ｆを作製した。
実施例１で用いた誘電率５．０１の有機溶媒としてｎ−
酢酸ブチル（ＣＨ3ＣＯＯＣＨ2（ＣＨ2）2ＣＨ3）、実施
例２で用いた誘電率７．５８の有機溶媒としてテトラヒ
ドロフラン（Ｃ4Ｈ8Ｏ）、実施例３で用いた誘電率９．
７７の有機溶媒としてメチルアミルケトン（ＣＨ3ＣＯ
（ＣＨ2）4ＣＨ3）と共に誘電率３．４４の有機溶媒と
してプロピオン酸（Ｃ2Ｈ5ＣＯＯＨ）を用い、それ以外
は全く実施例１と同様の工程とし、電池Ａ、Ｂ、Ｃとと
もに電池Ｆを作製した。
【００４７】上記実施例では誘電率３〜１０の有機溶媒
を用いたが、溶媒の炭素鎖の違いによりコロイド状分散
液の分散状態が変化し、誘電率１０以上の有機溶媒、例
えば誘電率がそれぞれ１０.３４、３７.７、４２.５の
ｎ−オクタノール、エチレングリコール、グリセリン等
に固体高分子電解質の分散液を添加した場合にはコロイ
ド状分散液は生成しなかった。
を用いたが、溶媒の炭素鎖の違いによりコロイド状分散
液の分散状態が変化し、誘電率１０以上の有機溶媒、例
えば誘電率がそれぞれ１０.３４、３７.７、４２.５の
ｎ−オクタノール、エチレングリコール、グリセリン等
に固体高分子電解質の分散液を添加した場合にはコロイ
ド状分散液は生成しなかった。
【００４８】また、誘電率３以下の有機溶媒、例えば誘
電率がそれぞれ１.８９、２.２８４、２.３７９、２.２
７、２.０２のｎ−ヘキサン、ベンゼン、トルエン、ｐ
−キシレン、ドデカン等に固体高分子電解質の分散液を
添加した場合には、固体高分子電解質が白色の沈殿を生
じ、電池の分極特性がほとんど取り出せなかった。な
お、誘電率は温度によって変化する。したがって、本発
明で取り扱う値は一般の便覧、ハンドブック等に記載さ
れているように原則的に２０〜２５℃の温度で測定され
た値で代表させた。
電率がそれぞれ１.８９、２.２８４、２.３７９、２.２
７、２.０２のｎ−ヘキサン、ベンゼン、トルエン、ｐ
−キシレン、ドデカン等に固体高分子電解質の分散液を
添加した場合には、固体高分子電解質が白色の沈殿を生
じ、電池の分極特性がほとんど取り出せなかった。な
お、誘電率は温度によって変化する。したがって、本発
明で取り扱う値は一般の便覧、ハンドブック等に記載さ
れているように原則的に２０〜２５℃の温度で測定され
た値で代表させた。
【００４９】（実施例７）上記の第２の工程の分散液の
調整において、さらにＰＴＦＥを２５〜７０重量％添加
して撥水処理した炭素粉末２５ｇを添加した他は、全く
実施例１と同様の工程とし、電池Ａ’を作製した。
調整において、さらにＰＴＦＥを２５〜７０重量％添加
して撥水処理した炭素粉末２５ｇを添加した他は、全く
実施例１と同様の工程とし、電池Ａ’を作製した。
【００５０】（比較例）従来の技術による固体高分子型
燃料電池の製造方法の一例を示す。
燃料電池の製造方法の一例を示す。
【００５１】まず、白金触媒を１０〜２５重量％担持さ
せた炭素微粉末を、ＰＴＦＥを２５〜７０重量％添加す
ることによって撥水処理した炭素微粉末と混合した。
せた炭素微粉末を、ＰＴＦＥを２５〜７０重量％添加す
ることによって撥水処理した炭素微粉末と混合した。
【００５２】この触媒層用混合粉末を、フッ素樹脂を重
量比で２０〜６０％添加したカーボンペーパ上に散布
し、３４０〜３８０℃の温度と５〜２０ｋｇ／ｃｍ2の
圧力でホットプレスして電極を作成した。
量比で２０〜６０％添加したカーボンペーパ上に散布
し、３４０〜３８０℃の温度と５〜２０ｋｇ／ｃｍ2の
圧力でホットプレスして電極を作成した。
【００５３】この電極への固体高分子電解質の添加は、
イソプロピルアルコール２ｍｌ当たりＮａｆｉｏｎ溶液
０.０５〜１.５ｇを混合した溶液をカーボンペーパ側か
らポンプによって吸引した状態で塗布し、乾燥する方法
を用いた。このようにして作製した電極を実施例１と同
様の方法で固体高分子膜と接合して電池Ｘを作製した。
イソプロピルアルコール２ｍｌ当たりＮａｆｉｏｎ溶液
０.０５〜１.５ｇを混合した溶液をカーボンペーパ側か
らポンプによって吸引した状態で塗布し、乾燥する方法
を用いた。このようにして作製した電極を実施例１と同
様の方法で固体高分子膜と接合して電池Ｘを作製した。
【００５４】以上の実施例及び比較例の電池Ａ、Ｂ、
Ｃ、Ｄ、Ｅ、Ｆ、Ａ’及びＸを用いて、図４に示した燃
料電池の単セルを作成した。
Ｃ、Ｄ、Ｅ、Ｆ、Ａ’及びＸを用いて、図４に示した燃
料電池の単セルを作成した。
【００５５】図４において、５８は固体高分子電解質膜
を示す。上記の実施例及び比較例では固体高分子電解質
膜５８には米国デュポン社製の“Ｎａｆｉｏｎ１１７
膜”を用いた。図中６０及び６１はそれぞれ負極及び正
極を示す。固体高分子電解質の添加量は、両極とも見か
け電極面積当たり１.０ｍｇ／ｃｍ2としたが、０.１〜
３.０ｍｇ／ｃｍ2の範囲では同等の特性が得られた。ま
た、白金の添加量は、同じく電極面積当たりの重量で
０.５ｍｇ／ｃｍ2とした。この単電池の負極側に、９０
℃の温度で加湿した水素ガスを、また正極側には８０℃
の温度で加湿した酸素ガスをそれぞれセルの入口から出
口に向けて供給して放電試験を行った。
を示す。上記の実施例及び比較例では固体高分子電解質
膜５８には米国デュポン社製の“Ｎａｆｉｏｎ１１７
膜”を用いた。図中６０及び６１はそれぞれ負極及び正
極を示す。固体高分子電解質の添加量は、両極とも見か
け電極面積当たり１.０ｍｇ／ｃｍ2としたが、０.１〜
３.０ｍｇ／ｃｍ2の範囲では同等の特性が得られた。ま
た、白金の添加量は、同じく電極面積当たりの重量で
０.５ｍｇ／ｃｍ2とした。この単電池の負極側に、９０
℃の温度で加湿した水素ガスを、また正極側には８０℃
の温度で加湿した酸素ガスをそれぞれセルの入口から出
口に向けて供給して放電試験を行った。
【００５６】図５に、本発明の実施例１〜５及び７のそ
れぞれの極性基の中で有効な炭素鎖をもつ有機溶媒を用
いた代表例及び、比較例の製造方法による燃料電池の電
圧−電流特性をそれぞれ示した。本発明の実施例の燃料
電池Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ、Ａ’は、電流密度２００ｍＡ
／ｃｍ2において、それぞれ電池電圧０.７０Ｖ、０.６
９Ｖ、０.６８Ｖ、０.６７Ｖ、０.６７Ｖ、０．７７Ｖ
を示した。
れぞれの極性基の中で有効な炭素鎖をもつ有機溶媒を用
いた代表例及び、比較例の製造方法による燃料電池の電
圧−電流特性をそれぞれ示した。本発明の実施例の燃料
電池Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ、Ａ’は、電流密度２００ｍＡ
／ｃｍ2において、それぞれ電池電圧０.７０Ｖ、０.６
９Ｖ、０.６８Ｖ、０.６７Ｖ、０.６７Ｖ、０．７７Ｖ
を示した。
【００５７】一方、従来法による比較例の燃料電池Ｘ
は、電流密度２００ｍＡ／ｃｍ2において、電池電圧
０．６２Ｖを示した。
は、電流密度２００ｍＡ／ｃｍ2において、電池電圧
０．６２Ｖを示した。
【００５８】上記各電池の分極試験の結果より、本発明
の実施例１〜５及び７のそれぞれの極性基の中で有効な
炭素鎖をもつ有機溶媒を用いた電池は、いずれも従来の
電池Ｘよりも高い特性を示すことがわかった。
の実施例１〜５及び７のそれぞれの極性基の中で有効な
炭素鎖をもつ有機溶媒を用いた電池は、いずれも従来の
電池Ｘよりも高い特性を示すことがわかった。
【００５９】図７に、本発明の実施例６及び７の誘電率
が３〜１０の有機溶媒を用いた代表例、及び比較例の製
造方法による燃料電池の電圧−電流特性をそれぞれ示し
た。ただし、電池Ｆ以外の電池は実施例１〜３及び７と
同じ有機溶媒に該当し、同じ試験結果である。本発明の
実施例による燃料電池Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｆ、Ａ’は、電流密
度２００ｍＡ／ｃｍ2において、それぞれ電池電圧０.７
０Ｖ、０.６９Ｖ、０.６８Ｖ、０.６７Ｖ、０.７７Ｖを
示した。一方、従来法による比較例の燃料電池Ｘは、電
流密度２００ｍＡ／ｃｍ2において、電池電圧０.６２Ｖ
を示した。
が３〜１０の有機溶媒を用いた代表例、及び比較例の製
造方法による燃料電池の電圧−電流特性をそれぞれ示し
た。ただし、電池Ｆ以外の電池は実施例１〜３及び７と
同じ有機溶媒に該当し、同じ試験結果である。本発明の
実施例による燃料電池Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｆ、Ａ’は、電流密
度２００ｍＡ／ｃｍ2において、それぞれ電池電圧０.７
０Ｖ、０.６９Ｖ、０.６８Ｖ、０.６７Ｖ、０.７７Ｖを
示した。一方、従来法による比較例の燃料電池Ｘは、電
流密度２００ｍＡ／ｃｍ2において、電池電圧０.６２Ｖ
を示した。
【００６０】各電池の分極試験の結果より、本発明の実
施例６及び７の誘電率が３〜１０の有機溶媒を用いた電
池は、いずれも比較例の電池Ｘよりも高い特性を示すこ
とがわかった。また、上記誘電率の範囲のうち特に誘電
率５〜８の有機溶媒は効果が大きく、有機溶媒の安全性
と経済性を考慮すると、酢酸ブチルが最適であると判断
できる。
施例６及び７の誘電率が３〜１０の有機溶媒を用いた電
池は、いずれも比較例の電池Ｘよりも高い特性を示すこ
とがわかった。また、上記誘電率の範囲のうち特に誘電
率５〜８の有機溶媒は効果が大きく、有機溶媒の安全性
と経済性を考慮すると、酢酸ブチルが最適であると判断
できる。
【００６１】各電池の分極試験の結果より、本発明の実
施例１〜５及び７のそれぞれの極性基の中で有効な炭素
鎖をもつ有機溶媒を用いた電池は、いずれも従来の方法
よりも高い特性を示すことがわかった。
施例１〜５及び７のそれぞれの極性基の中で有効な炭素
鎖をもつ有機溶媒を用いた電池は、いずれも従来の方法
よりも高い特性を示すことがわかった。
【００６２】以上のように、本発明の製造方法による電
極を用いて燃料電池を構成することによって、より高い
放電性能を示す固体高分子型燃料電池を実現することが
可能となった。
極を用いて燃料電池を構成することによって、より高い
放電性能を示す固体高分子型燃料電池を実現することが
可能となった。
【００６３】また、電池Ａ’はフッ素樹脂で撥水処理し
た炭素粉末を触媒層に添加したため反応ガスの供給能が
向上し、電池電圧が上昇した。
た炭素粉末を触媒層に添加したため反応ガスの供給能が
向上し、電池電圧が上昇した。
【００６４】図８に本発明の実施例１及び７の燃料電池
の電流密度５０、２００、６００、１０００ｍＡ／ｃｍ
2におけるＰＴＦＥによって撥水処理した炭素粉末の添
加率と電圧の関係を示した。活性化分極支配領域である
５０ｍＡ／ｃｍ2における電圧は、撥水処理した炭素粉
末の添加率が５０重量％以上でやや低下するが出力には
ほとんど影響しなかった。２００ｍＡ／ｃｍ2では撥水
処理した炭素粉末の添加率が５０重量％までは一定の電
圧となり、６０重量％では電圧は低下した。６００およ
び１０００ｍＡ／ｃｍ2では撥水処理炭素粉末の増加に
ともなって電圧が上昇したが、６０重量％に至って電池
電圧は著しく低下した。
の電流密度５０、２００、６００、１０００ｍＡ／ｃｍ
2におけるＰＴＦＥによって撥水処理した炭素粉末の添
加率と電圧の関係を示した。活性化分極支配領域である
５０ｍＡ／ｃｍ2における電圧は、撥水処理した炭素粉
末の添加率が５０重量％以上でやや低下するが出力には
ほとんど影響しなかった。２００ｍＡ／ｃｍ2では撥水
処理した炭素粉末の添加率が５０重量％までは一定の電
圧となり、６０重量％では電圧は低下した。６００およ
び１０００ｍＡ／ｃｍ2では撥水処理炭素粉末の増加に
ともなって電圧が上昇したが、６０重量％に至って電池
電圧は著しく低下した。
【００６５】
【表１】
【００６６】表１に撥水処理した炭素微粉末の各添加率
における触媒層の厚みを示した。撥水処理炭素微粉末の
増加によって、触媒層の厚みが大きくなっていることが
わかる。
における触媒層の厚みを示した。撥水処理炭素微粉末の
増加によって、触媒層の厚みが大きくなっていることが
わかる。
【００６７】低電流密度領域での電圧低下がほとんど見
られないことから、撥水処理した炭素粉末を添加するこ
とによってＰＴＦＥによる白金触媒の被覆、すなわち反
応面積の減少を抑制することが可能となった。さらに撥
水処理した炭素粉末の添加によって電極の厚みは増加す
るが、ガスチャネルが形成されることによって電極のガ
ス透過能が向上し、１０００ｍＡ／ｃｍ2以上の高電流
密度域での電圧が上昇するといえる。しかし、撥水処理
した炭素粉末の添加率が６０重量％以上ではＰＴＦＥに
よる白金触媒の被覆と電極厚みの増加とにより、ガスチ
ャネル形成の効果を打ち消して特性が低下すると考えら
れる。したがって、フッ素樹脂を添加して撥水処理した
炭素粉末は、貴金属触媒を担持した炭素粉末の炭素重量
に対して１０〜５０重量％添加したとき効果を示した。
られないことから、撥水処理した炭素粉末を添加するこ
とによってＰＴＦＥによる白金触媒の被覆、すなわち反
応面積の減少を抑制することが可能となった。さらに撥
水処理した炭素粉末の添加によって電極の厚みは増加す
るが、ガスチャネルが形成されることによって電極のガ
ス透過能が向上し、１０００ｍＡ／ｃｍ2以上の高電流
密度域での電圧が上昇するといえる。しかし、撥水処理
した炭素粉末の添加率が６０重量％以上ではＰＴＦＥに
よる白金触媒の被覆と電極厚みの増加とにより、ガスチ
ャネル形成の効果を打ち消して特性が低下すると考えら
れる。したがって、フッ素樹脂を添加して撥水処理した
炭素粉末は、貴金属触媒を担持した炭素粉末の炭素重量
に対して１０〜５０重量％添加したとき効果を示した。
【００６８】なお、エステル類の有機溶媒の代表例とし
てｎ−酢酸ブチルを用いたが、分子内にエステル基を有
しかつ炭素数１〜７の炭素鎖を有する溶媒であればよ
く、ぎ酸プロピル、ぎ酸ブチル、ぎ酸イソブチル、酢酸
エチル、酢酸プロピル、酢酸イソプロピル、酢酸アリ
ル、酢酸イソブチル、酢酸ペンチル、酢酸イソペンチ
ル、プロピオン酸メチル、プロピオン酸エチル、プロピ
オン酸プロピル、アクリル酸メチル、アクリル酸ブチ
ル、アクリル酸イソブチル、酪酸メチル、イソ酪酸メチ
ル、酪酸エチル、イソ酪酸エチル、メタクリル酸メチ
ル、酪酸プロピル、イソ酪酸イソプロピル、酢酸２−エ
トキシエチルエチル、酢酸２−（２エトキシエトキシ）
エチル等を単独あるいは混合して用いても同様の効果が
得られる。
てｎ−酢酸ブチルを用いたが、分子内にエステル基を有
しかつ炭素数１〜７の炭素鎖を有する溶媒であればよ
く、ぎ酸プロピル、ぎ酸ブチル、ぎ酸イソブチル、酢酸
エチル、酢酸プロピル、酢酸イソプロピル、酢酸アリ
ル、酢酸イソブチル、酢酸ペンチル、酢酸イソペンチ
ル、プロピオン酸メチル、プロピオン酸エチル、プロピ
オン酸プロピル、アクリル酸メチル、アクリル酸ブチ
ル、アクリル酸イソブチル、酪酸メチル、イソ酪酸メチ
ル、酪酸エチル、イソ酪酸エチル、メタクリル酸メチ
ル、酪酸プロピル、イソ酪酸イソプロピル、酢酸２−エ
トキシエチルエチル、酢酸２−（２エトキシエトキシ）
エチル等を単独あるいは混合して用いても同様の効果が
得られる。
【００６９】また、エーテル類の有機溶媒の代表例とし
てテトラヒドロフランを用いたが、分子内にエーテル基
を有しかつ炭素数３〜５の炭素鎖を有する溶媒であれば
ジプロピルエーテル、ヂブチルエーテル、エチレングリ
コールジメチルエーテルエチレングリコールヂエチルエ
ーテル、トリプロピレングリコールモノメチルエーテ
ル、テトラヒドロピラン等を単独あるいは混合して用い
ても同様の効果が得られる。
てテトラヒドロフランを用いたが、分子内にエーテル基
を有しかつ炭素数３〜５の炭素鎖を有する溶媒であれば
ジプロピルエーテル、ヂブチルエーテル、エチレングリ
コールジメチルエーテルエチレングリコールヂエチルエ
ーテル、トリプロピレングリコールモノメチルエーテ
ル、テトラヒドロピラン等を単独あるいは混合して用い
ても同様の効果が得られる。
【００７０】さらに、ケトン類の有機溶媒の代表例とし
てメチルアミルケトンを用いたが、分子内にケトン基を
有しかつ炭素数４〜８の炭素鎖を有する溶媒であればメ
チルブチルケトン、メチルイソブチルケトン、メチルヘ
キシルケトン、ヂプロピルケトン等を単独あるいは混合
して用いても同様の効果が得られる。
てメチルアミルケトンを用いたが、分子内にケトン基を
有しかつ炭素数４〜８の炭素鎖を有する溶媒であればメ
チルブチルケトン、メチルイソブチルケトン、メチルヘ
キシルケトン、ヂプロピルケトン等を単独あるいは混合
して用いても同様の効果が得られる。
【００７１】また、アミン類の有機溶媒の代表例として
ｎ−ブチルアミンを用いたが、分子内にアミノ基を有し
かつ炭素数１〜５の炭素鎖を有する溶媒であればイソプ
ロピルアミン、イソブチルアミン、ターシャルブチルア
ミン、イソペンチルアミン、ヂエチルアミン等を単独あ
るいは混合して用いても同様の効果が得られる。 ま
た、カルボン酸類の有機溶媒の代表例としてｎ−酪酸を
用いたが、分子内にカルボキシル基を有しかつ炭素数１
〜６の炭素鎖を有する溶媒であれば酢酸、プロピオン
酸、吉草酸、カプロン酸、ヘプタン酸等を単独あるいは
混合して用いても同様の効果が得られる。
ｎ−ブチルアミンを用いたが、分子内にアミノ基を有し
かつ炭素数１〜５の炭素鎖を有する溶媒であればイソプ
ロピルアミン、イソブチルアミン、ターシャルブチルア
ミン、イソペンチルアミン、ヂエチルアミン等を単独あ
るいは混合して用いても同様の効果が得られる。 ま
た、カルボン酸類の有機溶媒の代表例としてｎ−酪酸を
用いたが、分子内にカルボキシル基を有しかつ炭素数１
〜６の炭素鎖を有する溶媒であれば酢酸、プロピオン
酸、吉草酸、カプロン酸、ヘプタン酸等を単独あるいは
混合して用いても同様の効果が得られる。
【００７２】また、上記それぞれの有機溶媒の添加量
は、より微細なコロイド状分散液が生成する量が選択さ
れることが望ましいが、本発明の実施例はその代表値を
記載したものであり、発明の効果を限定するものではな
い。
は、より微細なコロイド状分散液が生成する量が選択さ
れることが望ましいが、本発明の実施例はその代表値を
記載したものであり、発明の効果を限定するものではな
い。
【００７３】また、上記実施例では固体高分子電解質と
して、テトラフルオロエチレンとパーフルオロビニルエ
ーテルとの共重合体からなる高分子の代表例として、米
国アルドリッチ・ケミカル社製の“５％Ｎａｆｉｏｎ溶
液”を用いたが、プロトン交換基をもつ高分子電解質で
あれば、上記実施例に限定されるものではなく、分子構
造の異なる高分子を用いても同様の効果が得られた。例
えば、パーフルオロビニルエーテル類及び側鎖分子長の
異なる高分子やスチレンとビニルベンゼンとの共重合体
からなる高分子を用いてもよい。
して、テトラフルオロエチレンとパーフルオロビニルエ
ーテルとの共重合体からなる高分子の代表例として、米
国アルドリッチ・ケミカル社製の“５％Ｎａｆｉｏｎ溶
液”を用いたが、プロトン交換基をもつ高分子電解質で
あれば、上記実施例に限定されるものではなく、分子構
造の異なる高分子を用いても同様の効果が得られた。例
えば、パーフルオロビニルエーテル類及び側鎖分子長の
異なる高分子やスチレンとビニルベンゼンとの共重合体
からなる高分子を用いてもよい。
【００７４】さらに、本実施例では燃料電池の一例とし
て水素−酸素燃料電池を取り上げたが、メタノール、天
然ガス、ナフサなどを燃料とする改質水素を用いた燃料
電池、または酸化剤として空気を用いた燃料電池や直接
にメタノールを燃料に用いた液体燃料電池に適用するこ
とも可能である。さらにまた、本発明の固体高分子電解
質と電極との接合体を用いて、酸素、オゾン、水素など
のガス発生機やガス精製機及び酸素センサ、アルコール
センサなどの各種ガスセンサーへの応用も効果がある。
て水素−酸素燃料電池を取り上げたが、メタノール、天
然ガス、ナフサなどを燃料とする改質水素を用いた燃料
電池、または酸化剤として空気を用いた燃料電池や直接
にメタノールを燃料に用いた液体燃料電池に適用するこ
とも可能である。さらにまた、本発明の固体高分子電解
質と電極との接合体を用いて、酸素、オゾン、水素など
のガス発生機やガス精製機及び酸素センサ、アルコール
センサなどの各種ガスセンサーへの応用も効果がある。
【００７５】
【発明の効果】以上のように本発明によれば、電極内部
で固体高分子電解質と触媒の接触性ならびに分散状態が
改善し、水素などの燃料ガスもしくは酸素などの酸化剤
ガスの供給路となる炭素微粉末の空孔が形成するガスチ
ャネルと、含水した固体高分子電解質が形成するプロト
ンチャネルと、炭素微粉末相互が接続して形成する電子
チャネルの３つのチャネルが同じ触媒層内部の極近傍に
形成され、反応面積が増大する。
で固体高分子電解質と触媒の接触性ならびに分散状態が
改善し、水素などの燃料ガスもしくは酸素などの酸化剤
ガスの供給路となる炭素微粉末の空孔が形成するガスチ
ャネルと、含水した固体高分子電解質が形成するプロト
ンチャネルと、炭素微粉末相互が接続して形成する電子
チャネルの３つのチャネルが同じ触媒層内部の極近傍に
形成され、反応面積が増大する。
【００７６】したがって、水素及び酸素ガスの供給と、
プロトン及び電子の伝達がスムーズかつ広範囲に行わ
れ、より高い放電性能を発揮する固体高分子型燃料電池
および固体高分子電解質膜と電極との接合体を実現する
ことが可能となる。
プロトン及び電子の伝達がスムーズかつ広範囲に行わ
れ、より高い放電性能を発揮する固体高分子型燃料電池
および固体高分子電解質膜と電極との接合体を実現する
ことが可能となる。
【００７７】またフッ素樹脂で撥水処理した炭素微粉末
を添加することにより触媒粒子を過多に被覆することな
くガスチャネルを形成し、高電流密度域での放電特性に
すぐれた固体高分子型燃料電池を実現することができ
る。
を添加することにより触媒粒子を過多に被覆することな
くガスチャネルを形成し、高電流密度域での放電特性に
すぐれた固体高分子型燃料電池を実現することができ
る。
【図１】（ａ） 本発明の固体高分子電解質の溶液状態
を示す図 （ｂ） 本発明のコロイド状分散液の状態を示す図 （ｃ） 本発明の固体高分子電解質の触媒担持炭素微粉
末への吸着状態を示す図 （ｄ） 本発明の橋かけ凝集状態を示す図
を示す図 （ｂ） 本発明のコロイド状分散液の状態を示す図 （ｃ） 本発明の固体高分子電解質の触媒担持炭素微粉
末への吸着状態を示す図 （ｄ） 本発明の橋かけ凝集状態を示す図
【図２】本発明の実施例における電極の断面を示す概略
図
図
【図３】本発明の別な実施例における電極の断面を示す
概略図
概略図
【図４】本発明の実施例における固体高分子型燃料電池
の単電池の模式断面図
の単電池の模式断面図
【図５】燃料電池の電圧（Ｖ）−電流（Ｉ）特性を示す
図
図
【図６】本発明の実施例における固体高分子型燃料電池
の製造工程を示すブロック図
の製造工程を示すブロック図
【図７】燃料電池の誘電率の影響による電圧（Ｖ）−電
流（Ｉ）特性を示す図
流（Ｉ）特性を示す図
【図８】燃料電池の電圧−撥水処理炭素粉末の添加率と
の関係を示す図
の関係を示す図
１１ 固体高分子電解質 １２ アルコール ２１ 有機溶媒 ３１ 触媒担持炭素微粉末 ５０ 電極 ５１ 触媒層 ５２ 触媒微粒子 ５３ 炭素微粉末 ５４ 電子チャネル ５５ ガスチャネル ５６ プロトンチャネル ５７ ガス拡散層 ５８ 固体高分子電解質膜 ５９ フッ素樹脂 ６０ 負極 ６１ 正極
フロントページの続き (72)発明者 小川 昌彦 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内
Claims (13)
- 【請求項１】固体高分子電解質膜とこの膜の両面に配し
た電極とからなる固体高分子型燃料電池であって、 上記２つの電極のうち少なくとも一方の電極は、ガス拡
散層とその片面に塗布した、少なくとも固体高分子電解
質のコロイド状分散液と貴金属触媒と炭素粉末との混合
物からなる固体高分子型燃料電池。 - 【請求項２】水酸基以外の極性基をもちかつこの極性基
に結合する炭素鎖の炭素数が１〜８である有機溶媒と、
固体高分子電解質のアルコール溶液とを混合して生成し
たコロイド状分散液、 上記コロイド状分散液と、貴金属触媒を担持した炭素粉
末とを混合して調整した混合液、 この混合液をガス拡散層の片面に塗布して電極を作製す
る工程と、作製した電極を固体高分子電解質膜の少なく
とも片面に加圧一体化する工程とからなる固体高分子型
燃料電池の製造方法。 - 【請求項３】混合液は、固体高分子電解質のコロイド状
分散液と、貴金属触媒を担持した炭素粉末と、フッ素樹
脂によって撥水処理された炭素粉末とを混合して調整さ
れたものからなる請求項２記載の固体高分子型燃料電池
の製造方法。 - 【請求項４】撥水処理された炭素粉末は、貴金属触媒を
担持した炭素粉末に対して重量比で１０〜５０％加えら
れ、かつ撥水処理のためのフッ素樹脂を重量比で総量の
２５〜７０％有している請求項３記載の固体高分子型燃
料電池の製造方法。 - 【請求項５】有機溶媒は、分子内にエステル基を有しか
つ炭素数１〜７の炭素鎖を有する単独溶媒あるいはその
混合物である請求項２あるいは３記載の固体高分子型燃
料電池の製造方法。 - 【請求項６】有機溶媒は、分子内にエーテル基を有しか
つ炭素数３〜５の炭素鎖を有する単独溶媒あるいはその
混合物である請求項２あるいは３記載の固体高分子型燃
料電池の製造方法。 - 【請求項７】有機溶媒は、分子内にカルボニル基を有し
かつ炭素数４〜８の炭素鎖を有する単独溶媒あるいはそ
の混合物である請求項２あるいは３記載の固体高分子型
燃料電池の製造方法。 - 【請求項８】有機溶媒は、分子内にアミノ基を有しかつ
炭素数１〜５の炭素鎖を有する単独溶媒あるいはその混
合物である請求項２あるいは３記載の固体高分子型燃料
電池の製造方法。 - 【請求項９】有機溶媒は、分子内にカルボキシル基を有
しかつ炭素数１〜６の炭素鎖を有する単独溶媒あるいは
その混合物である請求項２あるいは３記載の固体高分子
型燃料電池の製造方法。 - 【請求項１０】誘電率３〜１０の単独かあるいはその混
合物である有機溶媒と、固体高分子電解質のアルコール
溶液とを混合して生成したコロイド状分散液、 上記コロイド状分散液と、貴金属触媒を担持した炭素粉
末とを混合して調整した混合液、 この混合液をガス拡散層の片面に塗布して電極を作製す
る工程と、 作製した電極を固体高分子電解質膜の少なくとも片面に
加圧一体化する工程とからなる固体高分子型燃料電池の
製造方法。 - 【請求項１１】混合液は、固体高分子電解質のコロイド
状分散液と、貴金属触媒を担持した炭素粉末と、フッ素
樹脂によって撥水処理された炭素粉末とを混合して調整
されたものからなる請求項１０記載の固体高分子型燃料
電池の製造方法。 - 【請求項１２】撥水処理された炭素粉末は、貴金属触媒
を担持した炭素粉末に対して重量比で１０〜５０％加え
られ、かつ撥水処理のためのフッ素樹脂を重量比で総量
の２５〜７０％有している請求項１１記載の固体高分子
型燃料電池の製造方法。 - 【請求項１３】請求項１０記載の製造方法によって作成
した電極を、正極または負極の少なくともどちらか一方
に用いたことを特徴とする固体高分子電解質膜と電極と
の接合体。
Priority Applications (5)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP06263594A JP3422377B2 (ja) | 1993-08-06 | 1994-03-31 | 固体高分子型燃料電池の製造方法及びこれにより得られる固体高分子型燃料電池 |
| US08/265,730 US5474857A (en) | 1993-08-06 | 1994-06-27 | Solid polymer type fuel cell and method for manufacturing the same |
| EP94110214A EP0637851B1 (en) | 1993-08-06 | 1994-06-30 | Solid polymer type fuel cell and method for manufacturing the same |
| DE69417488T DE69417488T2 (de) | 1993-08-06 | 1994-06-30 | Brennstoffzelle mit festen Polymerelektrolyten und Verfahren zu seiner Herstellung |
| CA002127171A CA2127171C (en) | 1993-08-06 | 1994-06-30 | Solid polymer type fuel cell and method for manufacturing the same |
Applications Claiming Priority (5)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP5-195730 | 1993-08-06 | ||
| JP19573093 | 1993-08-06 | ||
| JP5-282278 | 1993-11-11 | ||
| JP28227893 | 1993-11-11 | ||
| JP06263594A JP3422377B2 (ja) | 1993-08-06 | 1994-03-31 | 固体高分子型燃料電池の製造方法及びこれにより得られる固体高分子型燃料電池 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH07183035A true JPH07183035A (ja) | 1995-07-21 |
| JP3422377B2 JP3422377B2 (ja) | 2003-06-30 |
Family
ID=27297905
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP06263594A Expired - Fee Related JP3422377B2 (ja) | 1993-08-06 | 1994-03-31 | 固体高分子型燃料電池の製造方法及びこれにより得られる固体高分子型燃料電池 |
Country Status (5)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US5474857A (ja) |
| EP (1) | EP0637851B1 (ja) |
| JP (1) | JP3422377B2 (ja) |
| CA (1) | CA2127171C (ja) |
| DE (1) | DE69417488T2 (ja) |
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