【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ガス拡散層及び反応層を有するガス拡散電極に関し、特に、燃料電池用電極、
二次電池用電極、電気化学的リアクター用電極、各種電解用電極、メッキ用電極等の背面供給排出型電極に用いられる集電基板に関する。

【０００２】

【従来の技術】燃料電池により発生した電気を集電するのに、電極中に埋め込まれるか又は電極に圧着された状態の網目状の導電性の集電基板により集電する方法がある。 この集電基板の開口率は、通常、８０％程度のものが使用されている。 この集電基板を電極に接合する具体例には、ＰＴＦＥ粉末、白金触媒等の電極材料を混ぜて成形した親水性の反応層と、カーボン粉末、ＰＴＦＥ粉末等の電極材料を混ぜて成形した疎水性のガス拡散層との接合体からなる電極に、前記の集電基板を金型に配置し、ホットプレスにより焼成して接合される。

【０００３】図１は上記の集電基板を有する電極を配した一般的な燃料電池の模式図を示し、燃料として、例えば、メタノールを採用したメタノール燃料電池の例である。 図１中、１は燃料極、２は酸化剤極、３は電解質、
７は酸化剤室、８は燃料室である。 図１で示した燃料極１のＡの円部分を拡大したものが図２である。 図２に示すように、燃料極１は反応層４とガス拡散層５が接合されて構成されており、ガス拡散層５中には網目状の導電性の集電基板６が埋め込まれている。

【０００４】上記のように燃料電池を構成することにより、燃料質８に供給されたメタノール燃料がガス拡散層５でガス化して反応層４に到り、反応層４部分で水素イオン及び電子を生成し、反応生成物として生ずる炭酸ガスが、多孔質のガス拡散層５を通過し、燃料室８へ到達し、燃料室８から排出される。 この燃料電池において集電基板６が網目状となっている理由は、反応層４にメタノールガス及び水蒸気を供給すること及び反応層４部分に発生する炭酸ガスがガス拡散層５を通過させるためである。 このような電極の背面から燃料を供給し、生成したガス等を電極の背面側から排出する形式の電極は、いわゆるＢＦＥ型電極（バックワード・フィード・アンド・イグゾースト型電極）と呼ばれている。 このような従来技術として、例えば、特開昭６２−１５４５７１号公報に記載されるものがある。 上記公報では、網状集電基板の材質を導電性の高いものとして、集電電流が大きくなるようにしている。

【０００５】なお、このような網目状の集電基板を使用するものには、上記燃料電池以外に、二次電池、電気化学的アリクター、各種電解用電極、メッキ用電極に用いるＢＦＥ型電極等がある。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来のＢＦＥ型電極に使用されている網状集電基板の材質を導電性のよいものに変更することは、結局、材料で集電抵抗が決定してしまう。 そして、従来は、網目の部分を小さくすることは、ガスの供給、排出性を妨げ、出力電流密度を小さくするとして、網目構造を変更することは考えられていない。

【０００７】そこで本発明は、集電電極の形状を工夫して出力電流密度が高く、しかもＢＦＥ型電極に適用できる電極用集電基板を提供し、その電極用集電基板を用いたガス拡散電極を提供することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】前記した問題点を解決するために、本発明は、ガス拡散層と反応層と集電基板とからなるガス拡散電極において、前記集電基板は、複数個の導電性の網状開口部と導電性の板状部を備え、該板状部が前記開口部周縁を形成するように構成されたことを特徴とするガス拡散電極とするものである。

【０００９】本発明のガス拡散電極は、燃料電池用電極、二次電池用電極、電気化学的リアクター用電極、各種電解用電極、メッキ用電極等の背面供給排出型電極に用いることができる。

【００１０】

【作用】本発明のガス拡散電極は、複数個の導電性の網状開口部と導電性の板状部を有し、該板状部は開口部の周縁を形成するように構成されているので、開口部は板状部材に区画される形状となっている。 この板状部の面抵抗は網状開口部よりも低くなり、そのために、網目状開口部分が少なくなって、ガスの排出性等が小さくなるにもかかわらず、結果として出力電流が大きくなる。 したがって、このようなガス拡散電極を燃料電池に使用した場合には、出力が大きくなり有利である。

【００１１】

【実施例１】以下、本発明に係る一実施例を説明する。
本実施例では燃料電池用ガス拡散電極を製造した。 該ガス拡散電極におけるガス拡散層及び反応層は、公知の従来のものでもよく、その製造方法としては、例えば、特開昭６２−２９０６９号公報、特開昭６２−１６５８６
３号公報、特開昭６３−２４５８６２号公報に開示されている。 これらの公報に開示されているガス拡散電極は、ガス拡散層と、反応層と、集電基板とを有する。

【００１２】この電極用集電基板は開口率が５２．５％
であり、次のように製造した。 全体が網目状の開口率６
５％で厚さ０．２ｍｍのＳＵＳ網〔ＳＵＳ３１６（ＪＩ
Ｓ規格）〕を用意した。 一方、大きさが８０ｍｍ×８０
ｍｍで、その厚さ０．２ｍｍのＳＵＳ板〔ＳＵＳ３１６
（ＪＩＳ規格）〕で、正方形の開口を９個有するＳＵＳ
板を用意した。 このＳＵＳ板に設けられた隣合う開口の間の線幅は３ｍｍであり、その周囲に線幅１０ｍｍの周縁部を有し、このＳＵＳ板の開口率は、８１％である。
開口率の計算方法については、その周囲に線幅１０ｍｍ
の周縁部を有し、周縁部以外を開口とした１個の開口を有するＳＵＳ板の開口率１００％とし、これを基準にして計算した。

【００１３】前記ＳＵＳ板に対し前記ＳＵＳ網をスポット溶接して電極用集電基板を製造した。 この電極用集電基板の概略図を図３に示す。 図３中、１０は電極用集電基板を示し、１１は９個の開口を有するＳＵＳ板、１２
はＳＵＳ網、１３は端子部である。 この電極用集電基板１０を、白金−ルテニウム触媒を担持したカーボン粒子をポリテトラフルオロエチレンによって結着して成形された電極と接合してメタノール燃料電池用の負極の電極を形成した。

【００１４】この電極に対して定電位法による性能試験を行った。 この定電位法は、メタノールを入れたときのレストポテンシャル（平衡電位、即ち、電位が５０〜６
０ｍＶで安定し、電流は流れない状態）である０．１Ｖ
から０．１Ｖ間隔で電位を上げて０．５Ｖまで上昇させたら逆に電位をレストポテンシャルまで下げることにより、得られた電流値を電極の表面積の３６ｃｍ ²で割って電流密度を得るものである。 その実験条件は、６０
℃、４Ｍメタノール中で、０．４Ｖ（ｒｈｅ基準）の印加電圧で１分間保持した後の電流密度を測定した。 その結果を下記の表１に示す。

【００１５】また、一般に行われている電流遮断法により抵抗を測定した。 その結果を下記の表１に示す。 〔比較例〕開口率６５％のＳＵＳ網〔厚さ０．２ｍｍ，
ＳＵＳ３１６（ＪＩＳ規格）〕のみを集電基板として用いて、実施例１と同様な方法で電極を作製し、定電位法で性能評価及び抵抗を測定した。 その結果を下記の表１
に示す。

【００１６】

【表１】

【００１７】表１によれば、集電基板を導電性の網状開口部と導電性の板状部から構成される実施例１の電極用集電基板のほうが、比較例の従来の導電性の網状体のみからなる集電基板よりも、電流密度が高く、抵抗値が低く、優れた性能であることが分かる。

【００１８】

【実施例２】前記実施例１と同じ電極用集電基板を用いてメタノール燃料電池の正極の電極を作製した。 前記実施例１の負極の電極とこの正極の電極を用いて、空気の流量を２００（ｍｌ／分）として、定電位法で性能試験を行った。 また、電流遮断法により抵抗を測定した。 これらの測定結果は、前記実施例１の結果と同じ数値であった。

【００１９】つぎに、前記実施例１で製作した負極の電極及び本実施例２で作製した正極の電極を用いてメタノール燃料電池を構成した。 その燃料電池の動作出力を観察した。 その結果得られた電位−電流密度曲線を図４に示す。 比較のために、前記比較例で示した電極を用いて燃料電池を構成しその動作出力を観察した結果を併せて図４に示す。 図４中、Ｖ _-は負極電位、Ｖ ₊は正極電位、Ｖ _cellは電池電圧である。

【００２０】図４によれば、集電基板を電極反応を損なわない形状とし、かつその集電抵抗を下げることにより、正極及び負極の何れもが、本来持っている触媒性能を最大限に引き出せることが可能であれば、抵抗の大きい場合に比べて得られる電流密度が増し、その結果、燃料電池の出力が増加することが分かる。

【００２１】

【実施例３】開口率のそれぞれ異なる３種類の電極用集電基板を次のように製造した。 全体が網目状の開口率６
５％で厚さ０．２ｍｍ、面積３６ｃｍ ²のＳＵＳ網〔Ｓ
ＵＳ３１６（ＪＩＳ規格）〕を３枚用意した。 開口率５５％の電極用集電基板の製造 大きさが８０ｍｍ×８０ｍｍで、その厚さ０．２ｍｍのＳＵＳ板〔ＳＵＳ３１６（ＪＩＳ規格）〕であって、正方形の開口を４個有し、互いの開口を隔てる格子部分の線幅が５ｍｍで、開口率が８４％であるＳＵＳ板を用意し、このＳＵＳ板に前記開口率６５％のＳＵＳ網をスポット溶接して、開口率５５％の電極用集電基板を作製した。

【００２２】開口率４５％の電極用集電基板の製造 大きさが８０ｍｍ×８０ｍｍで、その厚さ０．２ｍｍのＳＵＳ板〔ＳＵＳ３１６（ＪＩＳ規格）〕であって、正方形の開口を９個有し、互いの開口を隔てる格子部分の線幅が５ｍｍで、開口率が７０％であるＳＵＳ板を用意し、このＳＵＳ板に前記開口率６５％のＳＵＳ網をスポット溶接して、開口率４５％の電極用集電基板を作製した。

【００２３】開口率５２．７％の電極用集電基板の製造 大きさが８０ｍｍ×８０ｍｍで、その厚さ０．２ｍｍのＳＵＳ板〔ＳＵＳ３１６（ＪＩＳ規格）〕であって、正方形の開口を９個有し、互いの開口を隔てる格子部分の線幅が上記のＳＵＳ板とは異なる３ｍｍとし、開口率が８１％であるＳＵＳ板を用意し、このＳＵＳ板に前記開口率６５％のＳＵＳ網をスポット溶接して、開口率５
２．７％の電極用集電基板を作製した。

【００２４】前記、及びの３種類の電極用集電基板を、白金−ルテニウム触媒を担持したカーボン粒子をポリテトラフルオロエチレンによって結着して成形された電極と接合した電極を陰極に用いた。 このようにして得られた電極の性能試験を行った。 この性能試験は前記定電位法によって行い、６０℃、４Ｍメタノール中で、
０．４Ｖの印加電圧で１分間保持した後の電流密度を得、また、電流遮断法により抵抗値を得た。

【００２５】次に、この電極をサイクリックボルタンメトリーによる活性化処理を以下に述べる通りに行った。
即ち、前記、及びに記載の３種類の電極を電位の幅を５０〜１５００ｍＶ（２，０００ｍＶ）で一定速度（５０ｍＶ／秒又は１７ｍＶ／秒）で変化させる。 この処理により、電極内の触媒表面の不純物の除去及び清浄化が行われ、電極表面（カーボン）の親水性が向上し、
触媒表面積が増加（細孔構造の変化により）し、さらに、ルテニウムＲｕが０．８Ｖ以上の電位で脱離することにより、Ｐｔ／Ｒｕ比が触媒性能の発揮できる理想的な原子比及び原子配列に変化する。 この処理は、電極を電気化学的に酸化すればよく、この方式に限定するものではない。 以下、この処理を活性化処理と呼ぶこととする。 この活性化処理を行った電極を上記の定電位法により電流密度と抵抗値を得た。

【００２６】この活性化処理をした電極と上記未処理の電極の性能試験の結果を次の表２に示す。

【００２７】

【表２】

【００２８】表２によれば、電極をサイクリックボルタンメトリーによる活性化処理を行うことにより、電流密度が大幅に増加することがわかる。 また、上記の電極、即ち、ＳＵＳ板の線幅が３ｍｍのものが、優れた電流密度及び抵抗を有することが分かる。

【００２９】

【発明の効果】以上のように本発明に係るガス拡散電極の電極用集電基板によれば、集電抵抗が低く、機械的強度が高く、しかも燃料等の供給性および生成ガスの排出性が確保されたＢＦＥ型電極とすることができる。 本発明のガス拡散電極を燃料電池に用いると、従来のガス拡散電極を用いた燃料電池に比べて、電流密度が増し、燃料電池の出力が増加する。

【図面の簡単な説明】

【図１】集電基板を持つ電極を配した一般的な燃料電池の模式図を示す。

【図２】図１で示した燃料極のＡの円部分の拡大図を示す。

【図３】実施例１の電極用集電基板の概略図を示す。

【図４】実施例２及び比較例の燃料電池の電位−電流密度曲線を示す。

【符号の説明】

１０ 電極用集電基板 １１ ＳＵＳ板 １２ ＳＵＳ網 １３ 端子部

フロントページの続き (72)発明者 谷崎 勝二 東京都千代田区外神田２丁目19番12号 株 式会社エクォス・リサーチ内 (72)発明者 中村 正志 東京都千代田区外神田２丁目19番12号 株 式会社エクォス・リサーチ内