JP2003086191A - 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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- 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
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 高分子型燃料電池では、触媒層中の高分子電
解質を安定化させ、かつ、触媒インク調製が簡便に行え
る固体高分子型燃料電池とその製造方法が求められてい
る。 【解決手段】 高分子電解質膜を挟んで両側に触媒層が
備えられた固体高分子型燃料電池において、触媒層の少
なくとも一方の触媒層は、少なくとも触媒粒子を担持し
た炭素粉末と、特性の異なる２種以上の高分子電解質を
用いる。
解質を安定化させ、かつ、触媒インク調製が簡便に行え
る固体高分子型燃料電池とその製造方法が求められてい
る。 【解決手段】 高分子電解質膜を挟んで両側に触媒層が
備えられた固体高分子型燃料電池において、触媒層の少
なくとも一方の触媒層は、少なくとも触媒粒子を担持し
た炭素粉末と、特性の異なる２種以上の高分子電解質を
用いる。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、固体高分子型燃料
電池およびその製造方法、特にその触媒層に関する。
電池およびその製造方法、特にその触媒層に関する。
【０００２】
【従来の技術】固体高分子型燃料電池の電極は、触媒層
を多孔質導電性の電極基材上に形成したものを用いる。
通常、これらの触媒層の形成方法は、貴金属を担持した
炭素微粉末と、水素イオン導電性を有する高分子電解質
の溶液に、水、イソプロピルアルコールなどの溶媒を用
いて触媒インクを作製し、この触媒インクも粘度を調製
した後、スクリーン印刷法やスプレー法を用いて、電極
基材となるカーボンペーパーやカーボンクロス上に塗工
し、乾燥あるいは焼成して形成するのが一般的である。
このようにして作製した電極を、電解質膜を介してホッ
トプレスにより接合し、固体高分子型燃料電池を作製す
る。
を多孔質導電性の電極基材上に形成したものを用いる。
通常、これらの触媒層の形成方法は、貴金属を担持した
炭素微粉末と、水素イオン導電性を有する高分子電解質
の溶液に、水、イソプロピルアルコールなどの溶媒を用
いて触媒インクを作製し、この触媒インクも粘度を調製
した後、スクリーン印刷法やスプレー法を用いて、電極
基材となるカーボンペーパーやカーボンクロス上に塗工
し、乾燥あるいは焼成して形成するのが一般的である。
このようにして作製した電極を、電解質膜を介してホッ
トプレスにより接合し、固体高分子型燃料電池を作製す
る。
【０００３】これ以外の方法として、高分子フィルム上
にグラビア印刷やコーター法により、触媒インクを塗工
し、乾燥させて触媒層を形成した後に、電解質膜に転写
・接合し、固体高分子型燃料電池を作製する方法も提案
されている。この場合も、塗工する前にはインク調製を
行うのが一般的である。
にグラビア印刷やコーター法により、触媒インクを塗工
し、乾燥させて触媒層を形成した後に、電解質膜に転写
・接合し、固体高分子型燃料電池を作製する方法も提案
されている。この場合も、塗工する前にはインク調製を
行うのが一般的である。
【０００４】以上のように、これらの触媒層中の高分子
電解質は、触媒インクを調製する段階で高分子電解質溶
液の状態で添加されるのが一般的である。よって触媒層
を形成後、熱処理を加えるだけであることが多い。
電解質は、触媒インクを調製する段階で高分子電解質溶
液の状態で添加されるのが一般的である。よって触媒層
を形成後、熱処理を加えるだけであることが多い。
【０００５】また、触媒インクの粘度、固形分比は、高
分子電解質溶液の粘度、固形分比に左右されることが多
く、塗工前の最終の触媒インク調整時には、触媒インク
中から溶媒成分を除去させる、粘度調製剤を添加するな
どの対策がとられている。
分子電解質溶液の粘度、固形分比に左右されることが多
く、塗工前の最終の触媒インク調整時には、触媒インク
中から溶媒成分を除去させる、粘度調製剤を添加するな
どの対策がとられている。
【０００６】さらに、高分子電解質膜と異なり触媒層中
の高分子電解質は、上記の如く高分子電解質溶液を用い
て形成されるために、高分子電解質膜に比べて安定性が
悪く、劣化しやすいため、特許２７８１６３０号公報で
提案されているように、触媒層形成後熱処理を加えて、
安定化させるなどの対策を行う場合も多い。
の高分子電解質は、上記の如く高分子電解質溶液を用い
て形成されるために、高分子電解質膜に比べて安定性が
悪く、劣化しやすいため、特許２７８１６３０号公報で
提案されているように、触媒層形成後熱処理を加えて、
安定化させるなどの対策を行う場合も多い。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】触媒インクを、塗工前
に最適化することは、平滑で均一な触媒層を形成するた
めには必要不可欠である。しかしながら、多くの場合、
触媒インクの最適化は、混合する高分子電解質溶液の粘
度、固形分比に依存するために行われることが多い。通
常、市販されている高分子電解質溶液の固形分比は、５
〜１０％程度と低い。また、このような高分子電解質溶
液の粘度は、０．０１〜０．１Ｐａ・ｓ（０．１〜１．
０Ｐ）程度と非常に低い。このために、触媒インクの最
適化工程では、溶媒成分を揮発させて、固形分比を上げ
る対策がとられているが、溶媒を所定の量だけ除去する
ことは非常に困難であり、再現性という観点からも好ま
しくない。また、増粘剤を添加して、触媒インクの粘度
を上昇させることも、触媒層中に不純物を添加すること
になり電池性能の観点からは好ましくない。これらの方
法では、触媒層形成のための工程が複雑になるという問
題がある。
に最適化することは、平滑で均一な触媒層を形成するた
めには必要不可欠である。しかしながら、多くの場合、
触媒インクの最適化は、混合する高分子電解質溶液の粘
度、固形分比に依存するために行われることが多い。通
常、市販されている高分子電解質溶液の固形分比は、５
〜１０％程度と低い。また、このような高分子電解質溶
液の粘度は、０．０１〜０．１Ｐａ・ｓ（０．１〜１．
０Ｐ）程度と非常に低い。このために、触媒インクの最
適化工程では、溶媒成分を揮発させて、固形分比を上げ
る対策がとられているが、溶媒を所定の量だけ除去する
ことは非常に困難であり、再現性という観点からも好ま
しくない。また、増粘剤を添加して、触媒インクの粘度
を上昇させることも、触媒層中に不純物を添加すること
になり電池性能の観点からは好ましくない。これらの方
法では、触媒層形成のための工程が複雑になるという問
題がある。
【０００８】さらに、特許２７８１６３０号のように触
媒層中の高分子電解質の安定化のために、触媒層を形成
した後に熱処理することは、電池の耐久性の観点からは
有用である。しかしながら、触媒層形成後では、触媒層
の形状や寸法変化を考慮すると、十分な熱処理が行えな
いという問題がある。
媒層中の高分子電解質の安定化のために、触媒層を形成
した後に熱処理することは、電池の耐久性の観点からは
有用である。しかしながら、触媒層形成後では、触媒層
の形状や寸法変化を考慮すると、十分な熱処理が行えな
いという問題がある。
【０００９】以上のことから、触媒層中の高分子電解質
を安定化させ、かつ、触媒インク調製が簡便に行える固
体高分子型燃料電池とその製造方法が求められている。
を安定化させ、かつ、触媒インク調製が簡便に行える固
体高分子型燃料電池とその製造方法が求められている。
【００１０】
【課題を解決するための手段】本発明の高分子型燃料電
池は、高分子電解質膜を挟んで両側に触媒層が備えられ
た固体高分子型燃料電池において、前記触媒層の少なく
とも一方の触媒層は、少なくとも触媒粒子を担持した炭
素粉末と、特性の異なる２種以上の高分子電解質を有す
ることを特徴とする。特性の異なる２種以上の高分子電
解質は、熱処理温度を変えることで実現出来る。
池は、高分子電解質膜を挟んで両側に触媒層が備えられ
た固体高分子型燃料電池において、前記触媒層の少なく
とも一方の触媒層は、少なくとも触媒粒子を担持した炭
素粉末と、特性の異なる２種以上の高分子電解質を有す
ることを特徴とする。特性の異なる２種以上の高分子電
解質は、熱処理温度を変えることで実現出来る。
【００１１】また、触媒層は、イオン交換容量が異なる
高分子電解質を有することが有効である。
高分子電解質を有することが有効である。
【００１２】また、触媒層の製造方法は、触媒粒子を担
持した炭素粒子と、高分子電解質とを混合し、熱処理し
て高分子電解質が付いた触媒担持炭素粉末を作製する第
１工程と、前記高分子電解質付き触媒担持炭素粉末に、
高分子電解質を含む溶液を混合し、触媒層を塗工する第
２工程と、塗工した前記触媒層を熱処理する第３工程を
有することを特徴とする製造方法が有効である。
持した炭素粒子と、高分子電解質とを混合し、熱処理し
て高分子電解質が付いた触媒担持炭素粉末を作製する第
１工程と、前記高分子電解質付き触媒担持炭素粉末に、
高分子電解質を含む溶液を混合し、触媒層を塗工する第
２工程と、塗工した前記触媒層を熱処理する第３工程を
有することを特徴とする製造方法が有効である。
【００１３】このとき、第１工程における熱処理温度
と、第３工程における熱処理温度とが異なる温度である
ことを特徴とする。
と、第３工程における熱処理温度とが異なる温度である
ことを特徴とする。
【００１４】また、第１工程における触媒を担持した炭
素粉末と高分子電解質溶液を混合した溶液の粘度を、第
２工程におけ前記高分子電解質付き触媒担持炭素粉末
に、高分子電解質を含む溶液を混合した溶液の粘度より
も低くしたことを特徴とする。
素粉末と高分子電解質溶液を混合した溶液の粘度を、第
２工程におけ前記高分子電解質付き触媒担持炭素粉末
に、高分子電解質を含む溶液を混合した溶液の粘度より
も低くしたことを特徴とする。
【００１５】
【発明の実施の形態】本発明の固体高分子型燃料電池
は、触媒層内に、たとえば、熱処理温度の異なる２種類
の高分子電解質を用いるため、従来の熱処理温度が１つ
高分子電解質に比べて、電池を構成した場合、電池の初
期特性を維持した状態で耐久性が向上する。また、イオ
ン交換容量の異なる高分子電解質を用いることにより、
その効果をより大きくすることができる。
は、触媒層内に、たとえば、熱処理温度の異なる２種類
の高分子電解質を用いるため、従来の熱処理温度が１つ
高分子電解質に比べて、電池を構成した場合、電池の初
期特性を維持した状態で耐久性が向上する。また、イオ
ン交換容量の異なる高分子電解質を用いることにより、
その効果をより大きくすることができる。
【００１６】また、いったん高分子電解質付き触媒担持
炭素粉末を形成してから、再度、高分子電解質溶液に添
加して触媒インクを作製するため、触媒インク作製持
に、固形分比を高くすることが出来ると共に、高い粘度
の触媒インクを作製することが可能になる。さらに、予
め作製する高分子電解質付き触媒担持炭素粉末は、触媒
層を形成していない段階のため、高分子電解質が熱劣化
しない範囲の、広い温度領域で熱処理することが可能で
ある。
炭素粉末を形成してから、再度、高分子電解質溶液に添
加して触媒インクを作製するため、触媒インク作製持
に、固形分比を高くすることが出来ると共に、高い粘度
の触媒インクを作製することが可能になる。さらに、予
め作製する高分子電解質付き触媒担持炭素粉末は、触媒
層を形成していない段階のため、高分子電解質が熱劣化
しない範囲の、広い温度領域で熱処理することが可能で
ある。
【００１７】これにより触媒層形成後熱処理するのに比
べて、高い温度での熱処理が可能となり、高分子電解質
の安定性が向上する。さらに、予め熱処理した高分子電
解質付き触媒担持炭素粉末を用いて触媒層を形成するた
め、触媒層形成後の熱処理温度を低く設定し、触媒層の
形状や寸法安定性を維持した状態で、高分子電解質の安
定性を確保することができる。
べて、高い温度での熱処理が可能となり、高分子電解質
の安定性が向上する。さらに、予め熱処理した高分子電
解質付き触媒担持炭素粉末を用いて触媒層を形成するた
め、触媒層形成後の熱処理温度を低く設定し、触媒層の
形状や寸法安定性を維持した状態で、高分子電解質の安
定性を確保することができる。
【００１８】
【実施例】以下、実施例で説明する。
【００１９】（実施例１）まず、比表面積が８００ｍ2
／ｇ、ＤＢＰ吸油量が３６０ｍｌ／１００ｇである炭素
粒子（ケッチェンブラック・インターナショナル社製フ
ァーネスブラック、品名ケッチェンブラックＥＣ）に、
平均粒径約３０Åの白金粒子を５０％の重量比で担持さ
せ、触媒粒子とした。これと、５重量％の水素イオン伝
導性高分子電解質溶液（アルドリッチ製SE-5012、イオ
ン交換容量１．０ｍｅｑ／ｇ）とを混合し、触媒インク
を作製した。このとき、触媒粒子と水素イオン伝導性高
分子電解質との重量比が１：１となるようにした。
／ｇ、ＤＢＰ吸油量が３６０ｍｌ／１００ｇである炭素
粒子（ケッチェンブラック・インターナショナル社製フ
ァーネスブラック、品名ケッチェンブラックＥＣ）に、
平均粒径約３０Åの白金粒子を５０％の重量比で担持さ
せ、触媒粒子とした。これと、５重量％の水素イオン伝
導性高分子電解質溶液（アルドリッチ製SE-5012、イオ
ン交換容量１．０ｍｅｑ／ｇ）とを混合し、触媒インク
を作製した。このとき、触媒粒子と水素イオン伝導性高
分子電解質との重量比が１：１となるようにした。
【００２０】この触媒インクを減圧乾燥させ、乾式粉砕
することにより、高分子電解質付き触媒担持炭素粉末Ａ
（以下、粉末Ａと呼ぶ）を作製した。この粉末Ａを２つ
に分け、各々８０℃と１６０℃で３時間熱処理を行い、
粉末Ａ８０と粉末Ａ１６０を得た。これらの粉末をイソ
プロピルアルコール中に同量ずつ混合し、触媒インクＡ
を作製した。比較のために、粉末Ａ８０および粉末Ａ１
６０だけを用いた触媒インクＡ８０と、触媒インクＡ１
６０も作製した。
することにより、高分子電解質付き触媒担持炭素粉末Ａ
（以下、粉末Ａと呼ぶ）を作製した。この粉末Ａを２つ
に分け、各々８０℃と１６０℃で３時間熱処理を行い、
粉末Ａ８０と粉末Ａ１６０を得た。これらの粉末をイソ
プロピルアルコール中に同量ずつ混合し、触媒インクＡ
を作製した。比較のために、粉末Ａ８０および粉末Ａ１
６０だけを用いた触媒インクＡ８０と、触媒インクＡ１
６０も作製した。
【００２１】このようにして作製した触媒インクを、ガ
ス拡散層となるカーボンペーパー（ＴＧＰ−Ｈ−９０、
東レ製）上に塗布して触媒層を形成した。これらを高分
子電解質膜（Ｎａｆｉｏｎ１１２，デュポン製）を介し
て、ガスケットと共に接合し単電池Ａ、単電池Ａ８０、
単電池Ａ１６０を作製した。
ス拡散層となるカーボンペーパー（ＴＧＰ−Ｈ−９０、
東レ製）上に塗布して触媒層を形成した。これらを高分
子電解質膜（Ｎａｆｉｏｎ１１２，デュポン製）を介し
て、ガスケットと共に接合し単電池Ａ、単電池Ａ８０、
単電池Ａ１６０を作製した。
【００２２】これらを単電池試験装置にセットし各電池
特性を調べた。作製した単電池には、燃料極に水素ガス
を、空気極には空気を流し、電池温度を８０℃、燃料利
用率を８０％、空気利用率を４０％、加湿は水素ガスを
７５℃、空気を６０℃の露点になるように調整した。
特性を調べた。作製した単電池には、燃料極に水素ガス
を、空気極には空気を流し、電池温度を８０℃、燃料利
用率を８０％、空気利用率を４０％、加湿は水素ガスを
７５℃、空気を６０℃の露点になるように調整した。
【００２３】図１に電流−電圧特性を、図２にこれらの
電池の０．２Ａ／ｃｍ２時の寿命特性を比較して示し
た。これより、単電池Ａの性能が電池特性、寿命特性共
に優れていることがわかった。
電池の０．２Ａ／ｃｍ２時の寿命特性を比較して示し
た。これより、単電池Ａの性能が電池特性、寿命特性共
に優れていることがわかった。
【００２４】単電池Ａ８０では、電池特性は高いものの
寿命特性が悪くなった。これは触媒層中の高分子電解質
の熱処理温度が低かったために、初期の電池特性は良か
ったものの、高分子が十分に活性化、安定化されていな
いため、寿命特性が低くなったものと考えられた。逆
に、単電池Ａ１６０では熱処理温度が高いため、触媒担
持炭素粉末との密着性は向上し、電池の耐久性、寿命特
性は向上するが、触媒層中でのガス拡散性が低下して、
初期特性は低くなったものと考えられた。
寿命特性が悪くなった。これは触媒層中の高分子電解質
の熱処理温度が低かったために、初期の電池特性は良か
ったものの、高分子が十分に活性化、安定化されていな
いため、寿命特性が低くなったものと考えられた。逆
に、単電池Ａ１６０では熱処理温度が高いため、触媒担
持炭素粉末との密着性は向上し、電池の耐久性、寿命特
性は向上するが、触媒層中でのガス拡散性が低下して、
初期特性は低くなったものと考えられた。
【００２５】これに対して単電池Ａでは、粉末Ａ８０と
Ａ１２０が混合されているため、触媒層中でのガス拡散
性は保持した状態で、活性化された高分子電解質が存在
しているため、結果的には初期特性を維持したまま、耐
久性が向上したものと考えられた。
Ａ１２０が混合されているため、触媒層中でのガス拡散
性は保持した状態で、活性化された高分子電解質が存在
しているため、結果的には初期特性を維持したまま、耐
久性が向上したものと考えられた。
【００２６】次に、イオン交換容量の異なる高分子電解
質溶液を用いて、先と同じ触媒インクを作製した。イオ
ン交換容量が０．９ｍｅｑ／ｇのＮａｆｉｏｎ溶液(Ｓ
Ｅ−５１１２、デュポン製）を用い、先と同じに触媒イ
ンク作製し、これらを減圧乾燥して高分子電解質付き触
媒担持炭素粉末（粉末Ｂ）を作製した。これを８０℃で
熱処理して、粉末Ｂ８０を作製した。この粉末Ｂ８０と
先に作製した粉末Ａ１６０を、先と同様にイソプロピル
アルコール中に同量ずつ混合して触媒インクを作製し、
同様のプロセスを経て単電池Ｂを作製した。
質溶液を用いて、先と同じ触媒インクを作製した。イオ
ン交換容量が０．９ｍｅｑ／ｇのＮａｆｉｏｎ溶液(Ｓ
Ｅ−５１１２、デュポン製）を用い、先と同じに触媒イ
ンク作製し、これらを減圧乾燥して高分子電解質付き触
媒担持炭素粉末（粉末Ｂ）を作製した。これを８０℃で
熱処理して、粉末Ｂ８０を作製した。この粉末Ｂ８０と
先に作製した粉末Ａ１６０を、先と同様にイソプロピル
アルコール中に同量ずつ混合して触媒インクを作製し、
同様のプロセスを経て単電池Ｂを作製した。
【００２７】図３に、単電池Ｂの電流−電圧特性を、先
の単電池Ａと比較して示した。これより、単電池Ｂの性
能が、単電池Ａよりも優れていることがわかる。また寿
命特性を調べた結果も単電池Ａよりも優れていることが
分かった。これはイオン交換容量の小さい高分子電解質
はイオン交換容量の大きい高分子電解質に比べて、高分
子自身の安定性が高く、同じ温度で熱処理しても、高分
子電解質の安定性が高くなるためと考えられた。
の単電池Ａと比較して示した。これより、単電池Ｂの性
能が、単電池Ａよりも優れていることがわかる。また寿
命特性を調べた結果も単電池Ａよりも優れていることが
分かった。これはイオン交換容量の小さい高分子電解質
はイオン交換容量の大きい高分子電解質に比べて、高分
子自身の安定性が高く、同じ温度で熱処理しても、高分
子電解質の安定性が高くなるためと考えられた。
【００２８】以上のように、熱処理温度の異なる２種類
の高分子電解質を用いることにより、従来よりも耐久性
に優れた高分子電解質型燃料電池を構成できる。
の高分子電解質を用いることにより、従来よりも耐久性
に優れた高分子電解質型燃料電池を構成できる。
【００２９】（実施例２）本実施例でも、実施例１で作
成した触媒インクを用いた。ただし、高分子電解質と触
媒粒子との重量比が０．３：１となるように混合し、こ
れを触媒インクＣとした。比較のために高分子電解質と
触媒粒子の比が０．５：１になるように混合した触媒イ
ンクＤも作製した。この触媒インクＣを減圧乾燥させ、
乾式粉砕することにより、高分子電解質付き触媒担持炭
素粉末Ｃ（以下、粉末Ｃと呼ぶ）を作製した。この粉末
Ｃを１６０℃で３時間熱処理を行った。熱処理後の粉末
Ｃを再度、５％Ｎａｆｉｏｎ溶液中に混合し触媒インク
Ｃ２を作製した。この触媒インク中での高分子電解質と
触媒担持炭素粉末の比は、０．５となるようにした。
成した触媒インクを用いた。ただし、高分子電解質と触
媒粒子との重量比が０．３：１となるように混合し、こ
れを触媒インクＣとした。比較のために高分子電解質と
触媒粒子の比が０．５：１になるように混合した触媒イ
ンクＤも作製した。この触媒インクＣを減圧乾燥させ、
乾式粉砕することにより、高分子電解質付き触媒担持炭
素粉末Ｃ（以下、粉末Ｃと呼ぶ）を作製した。この粉末
Ｃを１６０℃で３時間熱処理を行った。熱処理後の粉末
Ｃを再度、５％Ｎａｆｉｏｎ溶液中に混合し触媒インク
Ｃ２を作製した。この触媒インク中での高分子電解質と
触媒担持炭素粉末の比は、０．５となるようにした。
【００３０】ここで触媒インクＣと触媒インクＣ２、お
よび比較用の触媒インクＤの粘度を粘弾性測定装置（レ
オストレス ＲＳ１５０、独HAAKE社製）を用いて測定
した。剪断速度が０．１（１／ｓ）における触媒層イン
クＣの粘度は、１Ｐａ・ｓ、触媒層インクＣ２の粘度は
同じ剪断速度で、１００Ｐａ・ｓ、触媒インクＤの場合
は５Ｐａ・ｓであった。
よび比較用の触媒インクＤの粘度を粘弾性測定装置（レ
オストレス ＲＳ１５０、独HAAKE社製）を用いて測定
した。剪断速度が０．１（１／ｓ）における触媒層イン
クＣの粘度は、１Ｐａ・ｓ、触媒層インクＣ２の粘度は
同じ剪断速度で、１００Ｐａ・ｓ、触媒インクＤの場合
は５Ｐａ・ｓであった。
【００３１】次に、触媒インクＣ２と触媒インクＤを実
施例１と同様にカーボンペーパー上に塗工した。この
時、触媒インクＤを用いた場合にはインクの粘度が低い
ため、塗工が再現性良く行うことができず、塗工バラツ
キも触媒層インクＣ２に比べ大きくなった。これに対し
て触媒層インクＣ２を用いた場合には、インク粘度が低
すぎることなく、安定して触媒層を形成することが出来
た。これらの触媒層を８０℃で熱処理した後、高分子電
解質膜（Ｎａｆｉｏｎ１１２，デュポン製）を介して、
ガスケットと共に接合し単電池Ｃ２、単電池Ｄを作製し
た。
施例１と同様にカーボンペーパー上に塗工した。この
時、触媒インクＤを用いた場合にはインクの粘度が低い
ため、塗工が再現性良く行うことができず、塗工バラツ
キも触媒層インクＣ２に比べ大きくなった。これに対し
て触媒層インクＣ２を用いた場合には、インク粘度が低
すぎることなく、安定して触媒層を形成することが出来
た。これらの触媒層を８０℃で熱処理した後、高分子電
解質膜（Ｎａｆｉｏｎ１１２，デュポン製）を介して、
ガスケットと共に接合し単電池Ｃ２、単電池Ｄを作製し
た。
【００３２】これらを単電池試験装置にセットし実施例
１と同じ条件で各電池特性を調べた。図４にこれらの電
池の電流−電圧特性を示した。これにより単電池Ｃ２の
方が単電池Ｄに比べ特性が向上することが分かった。こ
れは、触媒インク塗工時のインク粘度が低いＤの方が触
媒層の形成状態が悪く、不均一であったことと、触媒層
中の高分子電解質の熱処理温度が８０℃と低く、高分子
電解質の活性化が十分でなかったためと考えられた。
１と同じ条件で各電池特性を調べた。図４にこれらの電
池の電流−電圧特性を示した。これにより単電池Ｃ２の
方が単電池Ｄに比べ特性が向上することが分かった。こ
れは、触媒インク塗工時のインク粘度が低いＤの方が触
媒層の形成状態が悪く、不均一であったことと、触媒層
中の高分子電解質の熱処理温度が８０℃と低く、高分子
電解質の活性化が十分でなかったためと考えられた。
【００３３】触媒層形成後の熱処理温度を高くすること
も可能ではあるが、触媒層のひび割れやカーボンペーパ
ーからの脱落の可能性があるため、これ以上の温度での
熱処理は困難である。これに対して、単電池Ｃでは、予
め高分子電解質付き炭素粉末を作製し熱処理を行ってい
るため、触媒層形成後の熱処理温度が低くても、電池特
性が低下しなかったためと考えられた。また、作製した
粉末Ｃを再度、高分子電解質溶液に混合しているため触
媒インクＣ２の粘度が、触媒インクＤの粘度に比べて、
前述の通り高く、カーボンペーパー上に安定して触媒層
を形成することが出来たためと考えられた。
も可能ではあるが、触媒層のひび割れやカーボンペーパ
ーからの脱落の可能性があるため、これ以上の温度での
熱処理は困難である。これに対して、単電池Ｃでは、予
め高分子電解質付き炭素粉末を作製し熱処理を行ってい
るため、触媒層形成後の熱処理温度が低くても、電池特
性が低下しなかったためと考えられた。また、作製した
粉末Ｃを再度、高分子電解質溶液に混合しているため触
媒インクＣ２の粘度が、触媒インクＤの粘度に比べて、
前述の通り高く、カーボンペーパー上に安定して触媒層
を形成することが出来たためと考えられた。
【００３４】以上のように、一端高分子電解質付き触媒
担持炭素粉末の状態で熱処理が出来るため、触媒層を形
成後に高温の熱処理をすることが出来なくても、高い特
性の高分子電解質型燃料電池を構成できる。また、高分
子電解質付き触媒担持炭素粉末を再度、高分子電解質溶
液に混合して触媒インクを形成するため、直接高分子電
解質溶液と触媒担持炭素粉末だけで触媒インクを調製す
るよりも、インク粘度のコントロールが容易で、初期の
高分子電解質と触媒担持炭素粉末の比や、溶媒等の添加
によって、幅広い粘度範囲の触媒インクを自由に調整す
ることが可能である。
担持炭素粉末の状態で熱処理が出来るため、触媒層を形
成後に高温の熱処理をすることが出来なくても、高い特
性の高分子電解質型燃料電池を構成できる。また、高分
子電解質付き触媒担持炭素粉末を再度、高分子電解質溶
液に混合して触媒インクを形成するため、直接高分子電
解質溶液と触媒担持炭素粉末だけで触媒インクを調製す
るよりも、インク粘度のコントロールが容易で、初期の
高分子電解質と触媒担持炭素粉末の比や、溶媒等の添加
によって、幅広い粘度範囲の触媒インクを自由に調整す
ることが可能である。
【００３５】また、本方法を用いれば、いったん高分子
電解質付き触媒担持炭素粉末を形成してから、再度、高
分子電解質溶液に添加して触媒インクを作製するため、
触媒インク作製持に、固形分比を高くすることが出来る
と共に、高い粘度の触媒インクを作製することが可能に
なる。さらに、予め作製する高分子電解質付き触媒担持
炭素粉末は、触媒層を形成していない段階のため、高分
子電解質が熱劣化しない範囲の、広い温度領域で熱処理
することが可能である。
電解質付き触媒担持炭素粉末を形成してから、再度、高
分子電解質溶液に添加して触媒インクを作製するため、
触媒インク作製持に、固形分比を高くすることが出来る
と共に、高い粘度の触媒インクを作製することが可能に
なる。さらに、予め作製する高分子電解質付き触媒担持
炭素粉末は、触媒層を形成していない段階のため、高分
子電解質が熱劣化しない範囲の、広い温度領域で熱処理
することが可能である。
【００３６】これにより触媒層形成後熱処理するのに比
べて、高い温度での熱処理が可能となり、高分子電解質
の安定性が向上する。さらに、予め熱処理した高分子電
解質付き触媒担持炭素粉末を用いて触媒層を形成するた
め、触媒層形成後の熱処理温度を低く設定し、触媒層の
形状や寸法安定性を維持した状態で、高分子電解質の安
定性を確保することができる。
べて、高い温度での熱処理が可能となり、高分子電解質
の安定性が向上する。さらに、予め熱処理した高分子電
解質付き触媒担持炭素粉末を用いて触媒層を形成するた
め、触媒層形成後の熱処理温度を低く設定し、触媒層の
形状や寸法安定性を維持した状態で、高分子電解質の安
定性を確保することができる。
【００３７】
【発明の効果】以上のように、本発明の固体高分子型燃
料電池は、触媒層内に、熱処理温度の異なる２種類の高
分子電解質を用いているため、従来の熱処理温度が１つ
高分子電解質に比べて、電池を構成した場合、電池の初
期特性を維持した状態で耐久性が向上する。
料電池は、触媒層内に、熱処理温度の異なる２種類の高
分子電解質を用いているため、従来の熱処理温度が１つ
高分子電解質に比べて、電池を構成した場合、電池の初
期特性を維持した状態で耐久性が向上する。
【００３８】また、イオン交換容量の異なる高分子電解
質を用いることにより、その効果をより大きくすること
ができる。また、いったん高分子電解質付き触媒担持炭
素粉末を形成してから、再度、高分子電解質溶液に添加
して触媒インクを作製するため、触媒インク作製持に、
固形分比を高くすることが出来ると共に、高い粘度の触
媒インクを作製することが可能になる。
質を用いることにより、その効果をより大きくすること
ができる。また、いったん高分子電解質付き触媒担持炭
素粉末を形成してから、再度、高分子電解質溶液に添加
して触媒インクを作製するため、触媒インク作製持に、
固形分比を高くすることが出来ると共に、高い粘度の触
媒インクを作製することが可能になる。
【００３９】さらに、予め作製する高分子電解質付き触
媒担持炭素粉末は、触媒層を形成していない段階のた
め、高分子電解質が熱劣化しない範囲の、広い温度領域
で熱処理することが可能である。これにより触媒層形成
後熱処理するのに比べて、高い温度での熱処理が可能と
なり、高分子電解質の安定性が向上する。さらに、予め
熱処理した高分子電解質付き触媒担持炭素粉末を用いて
触媒層を形成するため、触媒層形成後の熱処理温度を低
く設定し、触媒層の形状や寸法安定性を維持した状態
で、高分子電解質の安定性を確保することができる。
媒担持炭素粉末は、触媒層を形成していない段階のた
め、高分子電解質が熱劣化しない範囲の、広い温度領域
で熱処理することが可能である。これにより触媒層形成
後熱処理するのに比べて、高い温度での熱処理が可能と
なり、高分子電解質の安定性が向上する。さらに、予め
熱処理した高分子電解質付き触媒担持炭素粉末を用いて
触媒層を形成するため、触媒層形成後の熱処理温度を低
く設定し、触媒層の形状や寸法安定性を維持した状態
で、高分子電解質の安定性を確保することができる。
【図１】本発明の第１の実施例の固体高分子型燃料電池
の第１の特性を示す図
の第１の特性を示す図
【図２】本発明の第１の実施例の固体高分子型燃料電池
の第２の特性を示す図
の第２の特性を示す図
【図３】本発明の第１の実施例の固体高分子型燃料電池
の第３の特性を示す図
の第３の特性を示す図
【図４】本発明の第２の実施例の固体高分子型燃料電池
の特性を示す図
の特性を示す図
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
(72)発明者 吉田 昭彦
大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器
産業株式会社内
(72)発明者 堀 喜博
大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器
産業株式会社内
Ｆターム(参考） 5H018 AA06 BB01 BB06 BB08 BB12
DD06 EE03 EE08 EE17 EE18
HH00 HH08
5H026 AA06 BB04 BB08 CX05 EE18
HH00 HH08
Claims (5)
- 【請求項１】 高分子電解質膜を挟んで両側に触媒層が
備えられた固体高分子型燃料電池において、前記触媒層
の少なくとも一方の触媒層は、少なくとも触媒粒子を担
持した炭素粉末と、特性の異なる２種以上の高分子電解
質を有することを特徴とする固体高分子型燃料電池。 - 【請求項２】 触媒層は、イオン交換容量が異なる高分
子電解質を有することを特徴とする請求項１記載の固体
高分子型燃料電池。 - 【請求項３】 触媒層の製造方法は、触媒粒子を担持し
た炭素粒子と、高分子電解質とを混合し、熱処理して高
分子電解質が付いた触媒担持炭素粉末を作製する第１工
程と、前記高分子電解質付き触媒担持炭素粉末に、高分
子電解質を含む溶液を混合し、触媒層を塗工する第２工
程と、塗工した前記触媒層を熱処理する第３工程を有す
ることを特徴とする請求項１または２記載の固体高分子
型燃料電池の製造方法。 - 【請求項４】 第１工程における熱処理温度と、第３工
程における熱処理温度とが異なる温度であることを特徴
とする請求項３記載の固体高分子型燃料電池の製造方
法。 - 【請求項５】 第１工程における触媒を担持した炭素粉
末と高分子電解質溶液を混合した溶液の粘度を、第２工
程におけ前記高分子電解質付き触媒担持炭素粉末に、高
分子電解質を含む溶液を混合した溶液の粘度よりも低く
したことを特徴とする請求項３または４記載の固体高分
子型燃料電池の製造方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001274604A JP2003086191A (ja) | 2001-09-11 | 2001-09-11 | 固体高分子型燃料電池とその製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001274604A JP2003086191A (ja) | 2001-09-11 | 2001-09-11 | 固体高分子型燃料電池とその製造方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2003086191A true JP2003086191A (ja) | 2003-03-20 |
Family
ID=19099609
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2001274604A Withdrawn JP2003086191A (ja) | 2001-09-11 | 2001-09-11 | 固体高分子型燃料電池とその製造方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2003086191A (ja) |
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2003088386A1 (fr) * | 2002-04-17 | 2003-10-23 | Nec Corporation | Pile a combustible, electrode pour pile a combustible et procede de fabrication de celles-ci |
| WO2006129629A1 (ja) * | 2005-05-31 | 2006-12-07 | Konica Minolta Holdings, Inc. | 燃料電池用電極及び燃料電池 |
| JP2007103175A (ja) * | 2005-10-05 | 2007-04-19 | Gs Yuasa Corporation:Kk | 高分子形燃料電池用電極およびそれを用いた高分子形燃料電池 |
| JP2012123927A (ja) * | 2010-12-06 | 2012-06-28 | Nippon Soken Inc | 触媒層部材と膜電極接合体および燃料電池 |
| JP2013020816A (ja) * | 2011-07-11 | 2013-01-31 | Jx Nippon Oil & Energy Corp | 膜電極接合体およびその製造方法、ならびに燃料電池 |
| JP2013073892A (ja) * | 2011-09-29 | 2013-04-22 | Toppan Printing Co Ltd | 燃料電池用膜電極接合体の製造方法 |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH07254419A (ja) * | 1994-03-15 | 1995-10-03 | Tanaka Kikinzoku Kogyo Kk | 高分子電解質型電気化学セル用電極及びその製造方法 |
| JPH08236122A (ja) * | 1995-02-27 | 1996-09-13 | Asahi Glass Co Ltd | ガス拡散電極及び該電極製造用の触媒分散液 |
| JPH10284087A (ja) * | 1997-04-04 | 1998-10-23 | Asahi Chem Ind Co Ltd | 固体高分子型燃料電池用電極及び膜・電極接合体 |
| JPH11126615A (ja) * | 1997-10-23 | 1999-05-11 | Toyota Motor Corp | 燃料電池用電極および燃料電池用電極の製造方法 |
| WO2002037585A1 (fr) * | 2000-10-31 | 2002-05-10 | Asahi Kasei Kabushiki Kaisha | Electrode pour cellule electrochimique du type a polymere solide |
-
2001
- 2001-09-11 JP JP2001274604A patent/JP2003086191A/ja not_active Withdrawn
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| JP2013073892A (ja) * | 2011-09-29 | 2013-04-22 | Toppan Printing Co Ltd | 燃料電池用膜電極接合体の製造方法 |
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