JPH03208261A - 固体高分子電解質膜と電極との接合体の製造方法 - Google Patents

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。

Description

【発明の詳細な説明】 く産業上の利用分野〉 本発明は、固体高分子電解質膜と電極との接合体を製造
する方法に関し、その接合体を燃ｖ４電池や水電解等に
用いた場合に電池反応の効率が向上するように工夫した
ものである。

く従来の技術〉 燃料電池は、資源の枯渇問題を有する石化燃料を使う必
要がない上、騒音をほとんど発生せず、エネルギの回収
効率も他のエネルギ機関と較べて非常に高くできる等の
優れた特徴を持っているため、例えばビルディング単位
や工場単位の比較的小型の発電プラントとして利用され
ている。

近年、この燃料電池を車載用の内燃機関に代えて作動す
るモータの電源として利用し、乙のモータにより車両等
を駆動することが考えられている。この場合に重要なこ
とは、反応によって生成する物質をできるだけ再利用す
ることは当然のこととして、車載用であることからも明
らかなように、余り大きな出力は必要でないものの、全
ての付帯設備と共に可能な限り小型であることが望まし
く、このような点から固体高分子電解質型燃料電池が注
目されている。

ここで、一例として固体高分子電解質燃料電池本体の基
本構造を第３図を参照しながら説明する。同図に示すよ
うに、電池本体０１は固体高分子電解質膜０２の両側に
ガス拡散電極０３Ａ，０３Ｂが接合されることにより構
成されている。そしてこの接合体は、固体高分子電解質
膜０２の両側にガス拡散電極０３Ａ．，０３Ｂを合せた
後、ホットプレス等することにより製造される。また、
ガス拡散竜極０３Ａ，０３Ｂはそれぞれ反応膜０４Ａ，
０４Ｂ及びガス拡散膜０５Ａ，０５Ｂが接合されたもの
であり、電解質膜０２とは反応膜０４Ａ，０４Ｂの表面
が接触している。したがって、電池反応は主に電解質膜
０２と反応膜０４Ａ．，０４Ｂとの間の接触面で起こる
。

例えばガス拡散電極０３Ａを酸素極、ガス拡散電極０３
Ｂを水素極とし、各々のガス拡散膜０５Ａ，０５Ｂを介
して酸素，水素を反応膜０４Ａ，０４Ｂ側へ供給すると
、各反応Ｗｌ０４Ａ，０４Ｂと電解質膜０２との界面で
次のような反応が起こる。

反応膜０４Ａの界面： ０　＋４　Ｈ”＋４　ｅ　−＝２　Ｈ　Ｏ反応膜０４Ｂ
の界面： ２Ｈ−＝４Ｈ”＋４ｅ ここで、４Ｈ＋は電解質農０２を通って水素極から酸素
極へ流れるが、４ｅは負荷０６を通って水素極から酸素
極へ流れることになり、電気エネルギーが得られる。

く発明が解決しようとする課題〉 上述した構成の燃料電池本体０１では、電池反応は主に
、電解質膜０２と各反応膜０４Ａ，０４Ｂとの接触面で
起こるので、電池性能を向上させるには電極自体を大き
くしなければならないという問題がある。

すなわち、例えば燃料電池の小型化を追求するためには
、上述した電池本体０１の単位体積当りの電池反応の向
上が必須となる。これは、水電解等を行う場合にも同様
である。

本発明はこのような事情に鑑み、燃料電池や水電解等に
用いた場合に電池反応効率が大幅に向上する、固体高分
子電解質膜と電極との接合体の製造方法を提供すること
を目的とする。

く課題を解決するための手段〉 前記目的を達成する本発明に係る固体高分子電解質羨と
電極との接合体の製造方法は、固体高分子電解質膜の両
側に、反応膜とガス拡散膜とからなる２枚のガス拡散電
極の反応膜側を接合するに際し、上記ガス拡散電極の反
応膜側に硫酸のアルコール溶液を塗布した後接合するこ
とを特徴とする。

本発明で固体高分子電解質膜とは水が共存しても液体に
ならない電解質膜をいい、例えばパーフルオロスルフォ
ン酸ボリマー膜（ナフィオン：商品名）を挙げることが
できろ。

本発明では、ガス拡散電極の反応膜側に硫酸のアルコー
ル溶液を塗布するが、この鷺布方法（よ特に隈定されず
、要は、ガス拡散電極の表面全体に亘ってほぼ均一に塗
布できる方法であればよい。なお、後述するように、溶
液をガス拡散電極の反応膜内に浸透させて反応効率を上
昇させる点を考慮すると、ガス拡散電極の反対側から吸
引しつつ塗布するのが望ましく、また、塗布は２枚のガ
ス拡散電極にするのが好ましい。

ここで、硫酸のアルコール溶液の濃度は特に限定されな
いが、後の工程（乾燥工程又はホットプレス工程）にお
いて除去される程度とするのが望ましい。また、アルコ
ールとしてはメタノール，エタノール，イソプロビルア
ルコール等を用いるのが望ましい。

また、硫酸のアルコール溶液を塗布した場合、アルコー
ルを乾燥した後ホットプレスすることなく接合体とする
こともできるが、好ましくはホットプレスにより接合す
るのがよい。ホットプレスは固体高分子電解質展を介し
て２枚のガス拡散電極が接合される条件であれば特に限
定されないが、好ましくは硫酸のアルコールＷｌ液中の
アルコールが蒸発除去されろ条件がよい。

なお、ガス拡散電極は反応膜とガス拡散展とを接合して
なるものなど、従来から知られているもの（例えば、特
開昭６２−１５４５７１号公報参照）でよい。ここで、
反応膜は一般に、例えば白金金属及び／又はその酸化物
の他、Ｐｔ，　Ｐｄ及び／又はＩｒ等にＲｕ，　Ｓｎ等
を合金化したもの等からなる触媒若しくは触媒を担持さ
せた親水性カーボン微粒子をフッ素樹脂等に分散させた
ものである。

本発明方法によると、ガス拡散電極の反応膜に、硫酸が
浸透した状態で且つこの硫酸を介して接合されるので、
反応膜に分散された触媒と固体高分子電解質膜との接触
面積が実質的に大きくなることになる。また、ガス拡散
電極と固体高分子電解質膜との密着性が高められて接触
抵抗の低下が図られ、Ｈ″′の移動抵抗が低下する。こ
のような理由により、本発明方法による接合体を燃料電
池や水電解等に使用すると、電池反応の効率が著しく向
上する。

く実　施　例〉 息下、本発明を実施例に基づいて説明する。

平均粒径５０人の白金と平均粒径４５０人の親水性カー
ボンブラックと平均粒径０．３μのポリテトラフルオロ
エチレンとが０．７：７：　３の割合で成る親水性反応
誤と、平均粒径４２０人の疎水性カーボンブラックと平
均粒径０．３μのポリテトラフルオロエチレンとが７：
　３の割合から成る疎水性ガス拡散膜とからなるガス拡
散電極（厚さ０．６ｍ）を製造した。ここで、親水性反
応膜及び疎水性ガス拡散膜は、白金以外の各原料粉末に
ソルベントナフサ、アルコール、水、炭化水素などの溶
接を混合した後、圧縮成形することにより得ることがで
きる。そして、これらを重ねて圧延し、親水性反応膜側
に、塩化白金酸化還元法によりＰ　ｔ　Ｏ．　５　６＋
＋Ｉｇ／ｅｌＩｒを担持させることによりガス拡散電極
とした。

かかるガス拡散電極の反応膜側に、硫酸のイソプロビル
アルコール溶液を塗布した。この塗布は、ガス拡散層を
真空引きプレート上に載置し、７０℃の温度下で裏側か
ら吸引しながら行い、硫酸量として０．６ｌｌｇ／ｄの
塗布量（含浸深さは４０〜５０μｍ）とした。

このような塗布を行った２枚のガス拡散電極の間に、０
．１７閤厚のパーフルオロスルフォン酸ボリマー膜（ナ
フィオン：デュポン社製）をはさみ、１２０〜１３０℃
で６０秒間、６０ｋｇ／ｃｄの条件でホットプレスし、
接合体とした。

このようにして製造した接合体を２枚のガスセパレータ
で挾持し、発電試験を行った。

第１図はその状態を概念的に示したものである。

第１図中、１は固体高分子電解質展、２Ａ，２Ｂはガス
拡散電極であり、ガス拡散電極２Ａ，２Ｂはそれぞれ反
応１１１３Ａ，３Ｂ及びガス拡散［４Ａ，４Ｂからなる
。なお、反応膜３Ａ，３Ｂ中に硫酸が浸透した領域を斜
線で示してある。また、５，６はガスセパレー夕である
。

ガスセパレータ５は水素極となるガス拡散電極２人に水
素を供給するための水素供給溝５ａとガス拡散電極２人
を冷却する冷却水を流すための冷却水供給溝５ｂとを交
互に有しており、ガスセパレータ６は酸素極となるガス
拡散電極２Ｂに酸素を供給するための酸素供給溝６８を
有している。

このような構成において、ガスセパレータ５へ水素及び
冷却水を供給すると共にガスセパレータ６へ酸素を供給
し、発電テストを行った。なお、酸素はガス圧１　ｋｇ
／ｄＧ　，流量２．　６　１　／　ｗｉｎ，水素はガス
圧０．４ｋｇ／ａＩＩＧ，流量２．０１７■ｉｎとし、
冷却水温度は７０℃とした。また、ガス拡散電極２Ａ，
２Ｂの有効面積は１２Ｘ１２ａｎであった。

比較のため、ガス拡散電極に硫酸のアルコール＋１￥液
を建布しないこと以外は上述したものと同様の接合体を
用い、上記実施例と同様にして発電テストを行った。

これらの結果を第２図に示す。この結果からも明らかな
ように、本発明方法による接合体を用いた場合には、電
池反応の効率が向上し、出力が上昇するという効果を奏
した。

く発明の効果〉 以上説明したように、本発明方法によると、ガス拡散電
極の反応展に硫酸が浸透した状態で固体高分子電解質膜
とガス拡散電極とが接合されるので、硫酸と固体高分子
電解質膜との接触により触媒反応が生じる面積が増大す
ると共に接着抵抗が低下し、Ｋの移動抵抗を低減するこ
とができる。したがって本発明方法による接合体を燃料
電池や水電解等に用いると反応効率が増大し、高出力化
するという効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す概念図、第２図は発電
テストの結果を示すグラフ、第３図は従来技術に係る固
体高分子電解質膜燃料電池を示す概念図である。 図面中、 １は固体高分子電解質膜、 ２Ａ，２Ｂはガス拡散電極、 ３Ａ，３Ｂは反応膜、 ４Ａ，４Ｂはガス拡散膜、 ５，６はガスセパレータ） ５ａは水素供給溝、 ５ｂは冷却水供給溝、 ６ａは酸素供給溝である。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）固体高分子電解質膜の両側に、反応膜とガス拡散
   膜とからなる２枚のガス拡散電極の反応膜側を接合する
   に際し、上記ガス拡散電極の反応膜側に硫酸のアルコー
   ル溶液を塗布した後接合する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の製造方法。
2. （２）固体高分子電解質膜がパーフルオロスルフォン酸
   ポリマー膜である請求項１記載の固体高分子電解質膜と
   電極との接合体の製造方法。