JP4734688B2 - ELECTRODE AND MANUFACTURING METHOD THEREOF, MEMBRANE-ELECTRODE COMPOSITION AND MANUFACTURING METHOD THEREOF, AND ELECTROCHEMICAL DEVICE, WATER ELECTROLYTIC DEVICE, FUEL CELL, MOBILE BODY USING THE SAME, AND AUTOMOBILE - Google Patents

ELECTRODE AND MANUFACTURING METHOD THEREOF, MEMBRANE-ELECTRODE COMPOSITION AND MANUFACTURING METHOD THEREOF, AND ELECTROCHEMICAL DEVICE, WATER ELECTROLYTIC DEVICE, FUEL CELL, MOBILE BODY USING THE SAME, AND AUTOMOBILE Download PDF

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池あるいは種々の電気化学装置に用いられる電極あるいは膜−電極複合体とそれらの製造方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
燃料電池は、低排出物、高エネルギー効率で環境への負担の低い発電装置である。このため、近年の地球環境保護への高まりの中で再び脚光を浴びている。従来の大規模発電施設に比べ比較的小規模の分散型発電施設、自動車や船舶など移動体の発電装置として、将来的にも期待されている発電装置である。
【0003】
燃料電池には、用いられる電解質の種類により、固体高分子型、リン酸型、固体酸化物型、溶融炭酸塩型、アルカリ型などの種類がある。なかでも固体高分子型燃料電池は、他の燃料電池に比べて、運転温度が低温で起動時間が短く、高出力が得やすい、小型軽量化が見込める、振動に強いなどの特徴を有し移動体の電力供給源に適している。
【0004】
燃料電池は、発電を担う反応の起こるアノードとカソードの電極と、アノードとカソード間のイオン伝導体となる電解質とがそれぞれの間でセパレータで挟まれたセルをユニットとして構成されている。電極は、ガス拡散の促進と集(給)電を行う電極基材(集電体とも云う)と、実際に電気化学反応場となる電極触媒層とから構成されている。たとえば固体高分子型燃料電池のアノード電極では、燃料ガスが触媒表面で反応してプロトンと電子を生じ、電子は電極基材に伝導し、プロトンは電解質のプロトン交換膜へと伝導する。このため、アノード電極には、ガス拡散性、電子電導性、イオン電導性が良好なことが要求される。一方、カソード電極では、酸化ガスが触媒層表面で、電解質から伝導してきたプロトンと、電極基材から伝導してきた電子とが反応して水を生成する。このため、ガス拡散性、電子電導性、イオン電導性とともに、生成した水を効率よく排出することも必要となる。
【0005】
このような点から、電極基材(集電体)には導電性を有しガス透過性の良好な多孔質導電シートが用いられてきた。たとえば、特開平6−20710号公報、特開平7−326362号公報、あるいは、特開平7−220735号公報のものが提案されている。これらに開示された集電体は、短い長さの炭素繊維が炭素で結着されてなる多孔質炭素板からなる。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
上記の多孔質導電シートはガス透過性は良好であるが、そのシート上に電極触媒層を塗工すると空孔内への触媒塗液の浸み込み現象が見られた。この触媒浸み込み現象により、有効に利用されない触媒が増すこととなる。燃料電池においては貴金属の触媒が用いられるために、有効に使われない触媒が増すことは電極のコストアップに繋がるものである。特に、固体高分子型燃料電池は自動車用途への期待が高い。自動車用途への適応には、性能と共にコストも重要な因子となる。現在の固体高分子型燃料電池は、低コスト化がなされればより一層の普及が見込まれている。このため、触媒浸み込みの少ない電極が求められていた。
【0007】
本発明は、上記課題を解決し、触媒浸み込みの少ない電極が得られることにより、触媒の利用効率が向上し、触媒量低減による低コスト化電極が得られることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
本発明において、上記課題を解決するため下記構成を有する。
【0008】
すなわち、本発明の電極は、少なくとも電極基材と電極触媒層とから構成される電極において、該電極基材の中に該電極触媒層が浸み込んで混合層を形成しているとともに、該混合層の厚さが3μm以上20μm以下であることを特徴とする。
【0009】
また、本発明の電極の製造方法は、電極基材上に電極触媒層を設けることにより製造されるものであるが、電極触媒塗液を該電極基材上に塗布して該電極触媒層を設けることを特徴とする。
【0010】
さらに、本発明の電極は、膜-電極複合体(MEA)に適用されるほか、通常の電気化学装置、特に固体高分子型燃料電池にも適用され、この燃料電池を用いた移動体や自動車にも適用されるものである。
【0011】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好ましい実施の形態を説明する。
【0012】
本発明は、少なくとも電極基材と電極触媒層とから構成される電極において、該電極基材の中に該電極触媒層が浸み込んでいる混合層の厚さが3μm以上20μm以下であることを特徴とするものであり、ここで用いられる電極基材や電極触媒層はとくに限定されるものではない。
【0013】
本発明における混合層とは電極基材の中に電極触媒層が浸み込んでいる層であるので、電極基材を含まない電極触媒層の構成成分(例えば、触媒金属、触媒粒子、カーボンブラック、フッ素原子を含有するポリマ等)のみにより構成される層(以下、純電極触媒層という)は、前記混合層には含まれない。従って、純電極触媒層の厚さは、本発明の混合層の厚さに算入されることはなく、除外して計算される。但し、本発明の電極において、前記純電極触媒層も有することを妨げるものではない。よって、本発明の電極触媒層には、混合層とともに純電極触媒層も含まれることがある。
【0014】
本発明において、電極基材の中に電極触媒層が浸み込んでいるとは、電極基材の少なくと一部の層乃至は領域において、電極基材の構成材が存在しない空隙部分に電極触媒の構成材が存在している状態を意味する。確かに、既に形成されている電極基材に対して固体化乃至は固定化されていない液体状態の電極触媒構成材料が侵み込んで形成されるという製造方法は、本発明の混合層乃至は電極触媒層の好適な製造法の1つではある。しかし、本発明の混合層乃至は電極触媒層は、必ずしもこの製造方法で形成されたものであると限定していることを意味するものではない。
【0015】
本発明における混合層の厚さとは、平均厚さであり、従って、局所的に本発明の数値範囲を満たさない箇所があっても、平均値で満たしている限り、本発明の技術範囲内であることは言うまでもない。前記混合層の厚さは、好ましくは15μm以下、さらに好ましくは、10μm以下である。尚、3μm以上であることが必要であり、5μm以上であることがより好ましい。前記上限値を上回ると浸み込みが多く有効に用いられる触媒量が低下することとなり、前記下限値を下回ると膜-電極複合体を作成したときに抵抗が大きくなることがあり好ましくないからである。
【0016】
本発明において、電極基材中に電極触媒層が浸み込んでいる混合層の厚さは、電極断面の走査型電子顕微鏡(SEM)観察によって確認できる。一般的には、電極基材は多孔質構造であり、電極触媒層は粒子を充填した構造であるため、多孔質の電極基材中への電極触媒粒子の浸み込んだ混合層が観察される。また、電極基材が炭素粉末などの導電性微粒子を含む場合のように、電極基材に電極触媒層が浸み込んでいる混合層がはっきり観察できない場合がある。このような場合には、SEMとX線マイクロアナリシス(XMA)を併用(SEM−XMA)することで、電極触媒に含まれる白金などの貴金属触媒が電極基材のどこまで浸み込んでいるかを観察することにより混合層の厚さを求めることが可能である
【0017】
SEM−XMAにおいては、以下の手順で純電極触媒層と混合層を測定する。まず、SEM観察から導電性シートと純電極触媒層の界面を確認し、純電極触媒層の厚さを測定する。次に、XMA測定により電極触媒に用いられるPtの存在を画面の濃淡で確認し、純電極触媒層と導電性シートに浸み込んだ混合層の合計の厚さを測定する。両者の差から混合層の厚みを求めることが可能となる。
【0018】
本発明に用いられる電極基材としては、電気抵抗が低く、集(給)電を行えるものであればとくに限定されることなく用いることが可能であるが、特に多孔質導電シートにおいて本発明の特徴が発現されるものである。電極基材の構成材としては、たとえば、導電性無機物質を主とするものが挙げられ、この導電性無機物質としては、ポリアクリロニトリルからの焼成体、ピッチからの焼成体、黒鉛及び膨張黒鉛などの炭素材、ステンレススチール、モリブデン、チタンなどが例示される。導電性無機物質の形態は繊維状あるいは粒子状など特に限定されないが、燃料電池などのように電極活物質に気体を用いる電気化学装置に用いる場合、ガス透過性の点から繊維状導電性無機物質(無機導電性繊維)特に炭素繊維が好ましい。無機導電性繊維を用いた多孔質導電シートとしては、織布あるいは不織布いずれの構造も使用可能である。たとえば、東レ(株)製カーボンペーパーTGPシリーズ、SOシリーズ、E−TEK社製カーボンクロスなどが用いられる。
【0019】
本発明に用いられる電極基材としては、厚み方向に2.9MPaの一様な面圧を加えたときの厚みが0.02〜0.3mmであるものが好ましい。より好ましくは0.04〜0.2mmである。0.02mmより薄い場合、燃料電池に用いる際にセパレータのガス流路に電極基材が埋没し、面方向への拡散・透過性が低くなり、強度が弱く作業性に乏しくなる。0.3mmよりも厚い場合、厚み方向の電気抵抗が増えてくる。なお、厚みは、電極基材を均一な厚みで平滑な表面を有する2枚のガラス状炭素板で挟み、2.9MPaの一様の面圧で加圧し、電極基材を挟まないときと挟んだときとの上下の圧子の間隔の差から求める。圧子の間隔の測定においては、圧子の中心点を挟む両端で微小変位検出装置により圧子の間隔を測定し、両端の間隔の平均値として圧子の間隔を算出する。一様な面圧とするために、一方の圧子は球座で受けて上下の圧子の加圧面のなす角度を可変にする。
【0020】
厚み方向に2.9MPaの一様な面圧を加えたとき上記の厚みとなる電極基材の、13kPaの面圧で測定した厚みは0.1〜2.0mmが好ましく、0.2〜1.2mmがより好ましい。2mmを超えると電極基材が嵩高になり、電極基材が厚み方向へ向いたり、電極機材の強度が弱くなる。0.1mm未満の厚みにするためには、多量の高分子物質によって電極基材の結着を強固に行う必要がでてくる。
【0021】
電極基材の目付としては10〜220g/m2であるのが好ましい。より好ましくは20〜120g/m2である。10g/m2未満では電極基材の強度が低くなる。また、高分子電解質膜、触媒層、電極基材の一体化時や電池に組んだときに電極基材が薄くなり面方向への拡散・透過効果が不十分になる。220g/m2を超えると電池に組んだ時に電極基材が厚くなり抵抗が大きくなる。
【0022】
電極基材の密度は、厚み方向に2.9MPaの一様な面圧を加えたときに0.3〜0.8g/cm3であるのが好ましい。より好ましいのは0.35〜0.7g/cm3であり、さらに好ましいのは0.4〜0.6g/cm3である。厚み方向に2.9MPaの一様な面圧を加えたときの電極基材の密度は、電極基材の目付と厚み方向に2.9MPaの一様な面圧を加えたときの電極基材の厚みから計算によって求める。電極基材は、拡散・透過性を高くするためには気孔率を高くする必要があるが、厚み方向に2.9MPaの一様な面圧を加えたときの密度が0.8g/cm3よりも大きくなると気孔率が下がり、拡散・透過性が不十分になる。また、0.3g/cm3よりも小さいと、厚み方向の抵抗値が大きくなる。
【0023】
電極基材は、厚み方向への面圧による加圧を行わない状態で、厚み方向に14cm/秒の空気を透過させたときの圧力損失が、98Pa(10mmAq)以下であるのが電極基材のガス拡散性の点で好ましい。より好ましいのは29Pa(3mmAq)以下であり、さらに好ましいのは9.8Pa(1mmAq)以下である。
【0024】
電極基材の引っ張り強さは、0.49N/10mm幅以上が好ましく、1.96N/10mm幅以上がより好ましく、4.9N/10mm幅以上が更に好ましい。引っ張り強さが低いと、電極機材の高次加工において、シートが破損する可能性が増すという問題がある。
【0025】
電極基材は、高分子電解質膜、触媒層、電極基材の一体化時や電池として使用する際に厚み方向に加圧されて壊れることがある。また、電池として使用するときには溝付セパレータと向かい合った状態で厚み方向に加圧されるため、溝付セパレータの山と向かい合う部分に大きな圧力がかかるのに加えて、山と谷の境と向かい合う部分が壊れやすい。電極基材が壊れると、壊れた無機導電性物質の脱落、電極基材の強度低下、面方向の電気抵抗増大等が起こり、電極性能が低下することがある。
【0026】
上記のことから、電極基材は、厚み方向に2.9MPaの一様な面圧を2分間加え、その面圧を解除した後の重量減少率が3%以下であるのが好ましい。重量減少率が3%より高い電極基材は面圧解除後弱くなっており、ハンドリングで壊れやすいという問題があるからである。これにより、加圧時に壊れにくく、電極基材の破壊により燃料電池が使用できなくなるのを防止できる。好ましくは2%以下、さらに好ましくは1%以下である。
【0027】
なお、重量減少率の測定は、以下のようにして行う。まず、電極基材を直径46mmの円形にカットし、重量を測定する。次に、その電極基材よりも大きく、平滑表面を有する2枚のガラス状炭素板でカットした電極基材を挟み、電極基材の面積当たり2.9MPaの圧力になるよう加圧し、2分保つ。圧力を取り除いて電極基材を取り出し、その面方向を垂直方向に向けて30mmの高さから落下させる。この落下を10回行った後に重量を測定し、重量減少率を算出する。
【0028】
電極基材の電気抵抗Rの測定は、次による。幅50mm、長さ200mm、厚み1.5mmの表面が平滑な平面を有するガラス状炭素板の片面に、幅50mm、長さ200mm、厚み0.1mmの銅箔が貼着された試験電極板が、2枚用意される。2枚の試験電極板は、実質的に均一な間隔を保ち、ガラス状炭素板の面同士が対向して位置せしめられる。2枚の試験電極板のそれぞれの一端には、電流用の端子が、それぞれの他端には、電圧用の端子が、設けられている。直径46mmの円形に切り出されたシートが、前記間隙に挿入され、2枚の試験電極板の中央部に、載置される。載置されたシートに0.98MPaの圧力が作用するように、試験電極板が移動される。電流用の端子にて、2枚の試験電極板間に1Aの電流が流される。電圧用の端子にて、この時の電圧V(V)が測定される。測定された電圧Vの値が用いられ、次式により、抵抗R(mΩ・cm2)が求められる。
R=V×2.3×2.3×π×1000
ここで、πは円周率である。
【0029】
多孔質導電性シートの電気抵抗は、100mΩ・cm2以下であることが好ましく、50mΩ・cm2以下であることがより好ましく、15mΩ・cm2以下であることが更に好ましい。後述のように撥水性のフッ素樹脂を含む電極基材の電気抵抗は、150mΩ・cm2以下であることが好ましく、70mΩ・cm2以下であることがより好ましく、30mΩ・cm2以下であることが更に好ましい。
【0030】
電極基材には、上記の電極基材に加えて、実質的に二次元平面内において無作為な方向に配向された無機導電性繊維を高分子物質で結着してなる紙状シートを含み、無機導電性繊維の長さが、少なくとも3mmで、かつ、シートの厚みの少なくとも5倍である多孔質導電シートを用いることもできる。ここで、シートの厚みはJIS P8118に準じて測定する。測定時の面圧は13kPaとする。無機導電性繊維が実質的に二次元平面内において配向されているということの意味は、無機導電性繊維がおおむね一つの面を形成するように横たわっているという意味である。このことにより無機導電性繊維による対極との短絡や無機導電性繊維の折損を防止することができる。
【0031】
電極基材の強度やハンドリング性を高くし、無機導電性繊維を実質的に二次元平面内において配向させるために、無機導電性繊維の長さは少なくとも3mm以上であるが、好ましくは4.5mm以上、さらに好ましくは6mm以上とする。3mm未満では、強度、ハンドリング性を保つのが難しくなる。また、無機導電性繊維を実質的に二次元平面内において無作為な方向に配向させるために、無機導電性繊維の長さは電極基材の厚みの5倍以上、好ましくは8倍以上、さらに好ましくは12倍以上とする。5倍未満では、二次元への配向の確保が難しくなる。無機導電性繊維の長さの上限は、実質的に二次元平面内において無作為な方向に配向させるためには30mm以下が好ましく、15mm以下がより好ましく、8mm以下がさらに好ましい。無機導電性繊維が長すぎると分散不良を発生しやすく、多数の繊維が束状のまま残る場合がある。その場合、束状の部分は空隙率が低く、加圧時の厚みが厚くなるために加圧時に高い圧力がかかり、電極基材の破壊や、高分子電解質膜や電極触媒層の局部的な薄層化等の問題が起こりやすくなる。
【0032】
また、無機導電性繊維の形態は、繊維による対極との短絡をより完全に防止できるように、直線状であるのが好ましい。ここで、直線状の無機導電性繊維とは、無機導電性繊維を曲げる外力を取り除いた状態で繊維の長さ方向にある長さL(mm)をとったときに、長さLに対する直線性からのずれΔ(mm)を測定し、Δ/Lがおおむね0.1以下であるものをいう。一方、非直線状の繊維は、実質的に二次元平面内において無作為な方向に配向させるときに三次元方向を向きやすいという欠点がある。
【0033】
電極基材の作成において、無機導電性繊維を実質的に二次元平面内において無作為な方向に配向させる方法としては、液体の媒体中に無機導電性繊維を分散させて抄造する湿式法や、空気中で無機導電性繊維を分散させて降り積もらせる乾式法がある。無機導電性繊維を確実に実質的に二次元平面内において配向させるため、また、無機導電性繊維の強度を高くするためには、湿式法、特にいわゆる抄紙法が好ましい。
【0034】
電極基材において、加圧時の無機導電性物質の折損を防止し、前述のように電極基材の重量減少率を3%以下とするために、使用する繊維は、炭素繊維をカットした炭素短繊維が好ましく、熱処理時に張力をかけたものがより好ましく、熱処理時に延伸したものがさらに好ましい。
【0035】
炭素繊維としては、ポリアクリロニトリル(PAN)系炭素繊維、フェノール系炭素繊維、ピッチ系炭素繊維、レーヨン系炭素繊維などが例示される。なかでも、PAN系炭素繊維が好ましい。PAN系炭素繊維はピッチ系炭素繊維にくらべて圧縮強さ、引張破断伸度が大きく、折れにくい。このことは、炭素繊維を構成する炭素の結晶化の相異によると考えられる。折れにくい炭素繊維を得るためには、炭素繊維の熱処理温度は2,500℃以下が好ましく、2,000℃以下がより好ましい。
【0036】
本発明の電極基材中に用いられる炭素短繊維は、直径D(μm)と、引張強さσ(MPa)と、引張弾性率E(MPa)との関係が次式を満足しているのがよい。そのような炭素短繊維からなる電極基材は、壊れにくいためである。すなわち、炭素短繊維の直径が細く、引張強さが強く、引張弾性率が低いほうが炭素短繊維は折れにくく、加圧時に電極基材が壊れにくくなる。
σ/(E×D)≧0.5×10-3
ここで、炭素繊維の引張強さ、引張弾性率はJIS R7601に準じて測定する。偏平な断面の炭素繊維の場合、長径(a)と短径(b)の平均値((a+b)/2)を直径とする。種類の異なる炭素短繊維が混合されている場合、D、σ、Eについてそれぞれ重量平均した値を用いる。好ましくはσ/(E×D)≧1.1×10-3であり、より好ましくはσ/(E×D)≧2.4×10-3である。
【0037】
炭素短繊維の引張破断伸度は、電極基材の強度のため、0.7%以上であるのが好ましく、より好ましくは1.2%以上であり、さらに好ましくは1.8%以上である。引張破断伸度は引張強さ(σ)を引張弾性率(E)で除した値である。
【0038】
また、炭素短繊維の折損は様々な状況で発生するため、炭素短繊維の引張強さは500MPa以上であるのが好ましく、1,000MPa以上であるのがより好ましく、2,000MPa以上であるのがさらに好ましい。
【0039】
電極基材に用いられる無機導電性繊維の直径は、20μm以下であるのが好ましい。より好ましいのは12μm以下、さらに好ましいのは8μm以下である。電極基材の表面には、無機導電性繊維の直径の5〜10倍の直径の空隙が観察される。この空隙は繊維径が太くなると大きくなる。本発明の導電性中間層は、電極触媒層がこの空隙に浸み込むことにより電極性能が低下することを抑制するものである。この空隙が大きすぎると導電性中間層を厚くする必要が生じ、ガス透過性や水の排出性を阻害するので、繊維径は細い方が好ましい。また、無機導電性繊維は細いほど厚み方向の加圧時に折れにくい。一方、無機導電性繊維の直径が細くなりすぎると、一体化時に触媒層の電極基材への浸入が起こりにくくなるため、繊維径は2μm以上であるのが好ましい。直径の異なる繊維が混合されている場合は、重量平均によって直径を求める。
【0040】
電極基材に用いられる無機導電性繊維の体積抵抗率は、電極基材の低抵抗化のため200μΩ・m以下が好ましく、50μΩ・m以下がより好ましく、15μΩ・m以下がさらに好ましい。無機導電性繊維の体積抵抗率の測定はJIS R7601に準じて行う。前記測定処方で定められた繊維長さが得られない場合、得られた繊維長さで測定を行う。
【0041】
電極基材に炭素繊維を用いる場合、X線光電子分光分析法による表面の酸素原子と炭素原子との原子数比(酸素原子数/炭素原子数)が0.35以下、好ましくは0.20以下、さらに好ましくは0.10以下であるものがよい。湿式抄紙法によって電極基材を得る場合、酸素原子と炭素原子との原子数比が高いと炭素短繊維の分散が難しくなって分散不良が増加するためである。0.35を超えると均一な電極基材を得ることが難しくなる。酸素原子と炭素原子との原子数比を低くするためには、炭素繊維の表面処理やサイジング剤の付与をやめたり、不活性または還元雰囲気中での熱処理によって表面の酸素原子を取り除く方法がある。
【0042】
電極基材は、水の滞留によるガス拡散・透過性の低下を防ぐために行う撥水処理、水の排出路を形成するための部分的撥水、親水処理や、抵抗を下げるために行われる炭素質粉末の添加等を行うことも好ましい実施態様である。
【0043】
本発明の電極基材は、上述のように導電性無機繊維からなる多孔質導電シートを用いる場合、圧縮時の厚み低下抑制、密度の向上、電気抵抗の低減などの点から、導電性粒子、特に導電性無機粒子を含むことも好ましい実施態様である。このような導電性無機粒子としては、電気抵抗や耐食性の点から炭素材、特に炭素粒子が好ましい。
【0044】
特に、柔軟性を有する導電性無機粒子がシート状に配列されてなる多孔質導電シートを電極基材に用いることも好ましい。これにより構成成分の脱落が少ない、あるいは、機械的力が作用しても壊れ難く、電気抵抗が低く、かつ、安価な電極基材を提供するという目的が可能となる。特に、柔軟性を有する導電性無機粒子として、膨張黒鉛粒子を用いることで上記目的が達成可能である。
【0045】
ここで、膨張黒鉛粒子とは、黒鉛粒子が、硫酸、硝酸などにより層間化合物化された後、急速に加熱することにより膨張せしめられて得られる黒鉛粒子をいう。通常、膨張黒鉛粒子の結晶構造における層間距離は、原料黒鉛粒子のそれの約50〜500倍である。
【0046】
膨張黒鉛粒子は、それ自体、形状の変形性に富む。この性質は、柔軟性と云う言葉で表現される。この柔軟性は、膨張黒鉛粒子とそれに隣接する他の物体に対する膨張黒鉛粒子の形態的融和性により観察される。この形態的融和性は、膨張黒鉛粒子同士が、少なくとも一部が重なり合った状態で加圧作用を受けると、加圧状態に応じて、互いに変形し、粒子同士が少なくとも部分的に接合することにより観察される。また、この形態的融和性は、膨張黒鉛粒子と、気体透過性が確保される状態でそれらがシート状に配列せしめられる場合に用いられる補助材(例えば、カーボンブラックなどの従来用いられている柔軟性を有しない導電性無機粒子、あるいは、炭素繊維などの従来用いられている無機導電性繊維)とが、共に加圧された場合、膨張黒鉛粒子が、補助材の外形状に沿って、変形され、この補助材に接合されることにより観察される。
【0047】
本発明の電極基材は、柔軟性を有する導電性微粒子に加えて、他の導電性粒子や導電性繊維を含むことも好ましい実施態様であるが、この導電性繊維と導電性粒子の双方が、無機材料からなることにより、耐熱性、耐酸化性、耐溶出性に優れた電極基材が得られる。柔軟性を有しない導電性無機粒子としては、例えば、カーボンブラック粉末、黒鉛粉末、金属粉末、セラミックス粉末などを含んでも良いが、電子電導性と耐触性の点から、カーボンブラック、黒鉛質や炭素質の炭素材が好ましく挙げられる。このような炭素材としては、オイルファーネスブラック、チャネルブラック、ランプブラック、サーマルブラック、アセチレンブラックなどのカーボンブラックが、電子電導性と比表面積の大きさから好ましいものである。オイルファーネスブラックとしては、キャボット社製バルカンXC−72、バルカンP、ブラックパールズ880、ブラックパールズ1100、ブラックパールズ1300、ブラックパールズ2000、リーガル400、ライオン社製ケッチェンブラックEC、三菱化学社製#3150、#3250などが挙げられ、アセチレンブラックとしては電気化学工業社製デンカブラックなどが挙げられる。またカーボンブラックのほか、天然の黒鉛、ピッチ、コークス、ポリアクリロニトリル、フェノール樹脂、フラン樹脂などの有機化合物から得られる人工黒鉛や炭素などがある。また、これら炭素材を後処理加工した炭素材も用いることが可能である。このような炭素材の中でも、特に、キャボット社製のバルカンXC−72、電気化学工業社製のデンカブラック、ライオン社製のケッチェンブラックなどが電子電導性の点から好ましく用いられる。
【0048】
なお、電極基材に対する導電性粒子の添加量としては、要求される電極特性や用いられる物質の比表面積や電子抵抗などに応じて適宜決められるべきものであるが、電極基材中の重量比率として1〜80%が好ましく、20〜60%がさらに好ましい。電子伝導体は、少ない場合は電子抵抗が低くなり、多い場合はガス透過性を阻害するなど、いずれも電極性能を低下させる。
【0049】
本発明の電極基材は、上記の導電性粒子のほか、高分子物質を添加することも可能である。これにより圧縮や引張りに強くなり、強度、ハンドリング性を高め、無機導電性物質が電極基材から外れたり、電極基材の厚み方向を向くのを防止できる。特に、無機導電性短繊維を抄紙して多孔質導電シートからなる電極基材を作成する際には、高分子物質を結着剤として用いることは必須である。高分子物質を結着させる方法としては、無機導電性物質を実質的に二次元平面内において無作為な方向に配向させるときに繊維状、粒状、液状の高分子物質を混合する方法と、無機導電性物質が実質的に二次元平面内において無作為な方向に配向された集合体に繊維状、液状の高分子物質を付着させる方法等がある。液状の概念には、エマルジョン、ディスパージョンやラテックス等、液体中に高分子物質の微粒子が分散して実質的に液体として取り扱うことができるものも含まれる。無機導電性物質の結着を強くしたり、電極基材の電気抵抗を低くしたりするためには、無機導電性物質を結着する高分子物質は繊維状、エマルジョン、ディスパージョン、ラテックスであるのが好ましい。繊維状の高分子物質の場合、含有率を低くするため、フィラメント糸を使用することが好ましい。
【0050】
無機導電性物質を結着する高分子物質としては、炭素またはケイ素を主鎖に持つ高分子物質が好ましく、たとえば、ポリビニルアルコール(PVA)、ポリ酢酸ビニル(酢ビ)、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリプロピレン(PP)、ポリエチレン、ポリスチレン、ポリ塩化ビニル、ポリ塩化ビニリデン、アクリル樹脂、ポリウレタン等の熱可塑性樹脂や、フェノール樹脂、エポキシ樹脂、メラミン樹脂、尿素樹脂、アルキド樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、アクリル樹脂、ポリウレタン樹脂等の熱硬化性樹脂のほか、熱可塑性エラストマー、ブタジエン・スチレン共重合体(SBR)、ブタジエン・アクリロニトリル共重合体(NBR)等のエラストマー、ゴム、セルロース、パルプ等を用いることができる。フッ素樹脂等の撥水性の樹脂を用い、無機導電性物質の結着と同時に電極基材の撥水化処理を行ってもよい。
【0051】
電極基材を加圧時に壊れにくくするためには、無機導電性物質を結着する高分子物質は軟らかいほうがよく、高分子物質を繊維状または粒状の形態で用いる場合には、高分子物質は、熱可塑性樹脂、エラストマー、ゴム、セルロース、パルプなどの柔らかい高分子物質を用いると電極基材が加圧時に壊れることが少なくなるので好ましい。また、高分子物質を液状の形態で用いる場合には、高分子物質は、熱可塑性樹脂、エラストマー、ゴムや、熱可塑性樹脂、エラストマー、ゴム等の軟質材料で変性した熱硬化性樹脂が好ましく、前記の熱可塑性樹脂、エラストマー、ゴムにより電極基材は加圧時に壊れにくくてより好ましい。
【0052】
高分子物質は、23℃における圧縮弾性率が4,000MPa以下であることが好ましく、2,000MPa以下であるのがより好ましく、1,000MPa以下であるのがさらに好ましい。圧縮弾性率の低い高分子物質は結着部にかかる応力を緩和して結着を外れにくくし、また、無機導電性物質にかかる応力を緩和して壊れにくくするためである。
【0053】
固体高分子型燃料電池は、カソード(空気極、酸素極)において、電極反応生成物としての水や、電解質を浸透した水が発生する。また、アノード(燃料極)においては、高分子電解質膜の乾燥防止のために燃料を加湿して供給する。これらの水の結露と滞留、水による高分子物質の膨潤が電極反応物を供給する際の妨げになるので、高分子物質の吸水率は低いほうがよい。好ましくは20%以下、より好ましくは7%以下である。
【0054】
このような点から、電極基材には撥水性の高分子を含むことも好ましい実施態様である。特にポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体(FEP)、テトラフルオロエチレン−パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体(PFA)などのフッ素原子を含有するポリマ(フッ素樹脂)が高い撥水性を有するため好ましく用いられる。電極基材を燃料電池用の集(給)電体として用いる場合は、撥水処理が必須であり、その際の撥水性の高分子は、電極基材を構成する導電性無機物質間の接着効果ももたらす。このことは、電極基材の強度、電気抵抗の点から有用である。PTFE、FEP、PFAは、燃料電池集電体に求められる撥水性や耐酸化性が高く、PTFEとPFAは、電気抵抗が低い効果をもたらすためさらに好ましい。
【0055】
上記のような高分子物質の電極基材に対する含有率は、0.1〜50重量%の範囲にあるのが好ましい。電極基材の電気抵抗を低くするためには、高分子物質の含有率は少ないほうがよいが、0.1重量%未満ではハンドリングに耐える強度が不足し、無機導電性物質の脱落も多くなる。逆に、40重量%を超えると電極基材の電気抵抗が増えてくるという問題が生じる。より好ましくは、10〜30重量%の範囲である。
【0056】
電極基材に添加した高分子物質は、200℃以上で焼成することも好ましい実施態様である。撥水処理に用いられる上記のフッ素樹脂は、融点以上に加熱することで、撥水性と結着性が向上する。また、フッ素樹脂以外の高分子物質においても、焼成により結着力が向上するほか、電気抵抗の低下、耐食性の向上が見られる。特にフッ素樹脂以外の高分子物質においては、耐酸化性に乏しい場合があり、燃料電池などの電気化学装置用電極として用いる際には、使用中に電極性能の低下をもたらす可能性がある。このため、電極作成時には結着剤として高分子物質物質を用い、電極として使用する前に焼成しておくことが好ましい。
【0057】
本発明の電極における電極触媒層は、特に限定されることなく公知のものを利用することが可能である。電極触媒層とは、電極反応に必要な触媒や電極活物質を含み、さらに好ましくは電極反応を促進する電子伝導やイオン伝導に寄与する物質も含んでいる。また電極活物質(酸化あるいは還元する物質)が気体の場合には、その気体が透過しやすい構造を有していることが必要であり、電極反応に伴う生成物質の排出も促す構造が必要である。本発明の電極を燃料電池に用いる場合には、電極活物質は水素あるいは酸素、触媒は白金などの貴金属粒子、電子伝導体はカーボンブラック、イオン伝導体はプロトン交換樹脂、反応生成物質は水である。電極触媒層は、触媒、電子伝導体、イオン伝導体が互いに接触して、活物質と反応生成物が効率よく出入りする構造が求められる。
【0058】
本発明の電極を燃料電池に用いる場合には、電極触媒層に含まれる触媒は公知の触媒を用いることができ、特に限定されるものではないが、白金、パラジウム、金、ルテニウム、イリジウムなどの貴金属触媒が好ましく用いられる。また、これらの貴金属触媒の合金、混合物など、2種以上の元素が含まれていても構わない。
【0059】
電極触媒層に含まれる電子伝導体(導電材)としては、特に限定されるものではないが、電子伝導性と耐蝕性の点から無機導電性物質が好ましく用いられる。なかでも、カーボンブラック、黒鉛質や炭素質の炭素材、あるいは金属や半金属が挙げられる。このような炭素材としては、オイルファーネスブラック、チャネルブラック、ランプブラック、サーマルブラック、アセチレンブラックなどのカーボンブラックが、電子電導性と比表面積の大きさから好ましいものである。オイルファーネスブラックとしては、キャボット社製バルカンXC−72、バルカンP、ブラックパールズ880、ブラックパールズ1100、ブラックパールズ1300、ブラックパールズ2000、リーガル400、ライオン社製ケッチェンブラックEC、三菱化学社製#3150、#3250などが挙げられ、アセチレンブラックとしては電気化学工業社製デンカブラックなどが挙げられる。またカーボンブラックのほか、天然の黒鉛、ピッチ、コークス、ポリアクリロニトリル、フェノール樹脂、フラン樹脂などの有機化合物から得られる人工黒鉛や炭素などがある。これらの炭素材の形態としては、粒子状のほか繊維状も用いることができる。また、これら炭素材を後処理加工した炭素材も用いることが可能である。このような炭素材の中でも、特に、キャボット社製のバルカンXC−72が電子電導性の点から好ましく用いられる。
【0060】
これら電子伝導体の添加量としては、要求される電極特性や用いられる物質の比表面積や電子抵抗などに応じて適宜決められるべきものであるが、電極触媒層中の重量比率として1〜80%が好ましく、20〜60%がさらに好ましい。電子伝導体は、少ない場合は電子抵抗が低くなり、多い場合はガス透過性を阻害したり触媒利用率が低下するなど、いずれも電極性能を低下させる。
【0061】
電子伝導体は、触媒粒子と均一に分散していることが電極性能の点で好ましいものである。このため、触媒粒子と電子伝導体は予め塗液として良く分散しておき、この塗液を導電性中間層を設けた多孔質導電シート上に塗布する方法が好ましく用いられる。
【0062】
電極触媒層を燃料電池に用いる場合、触媒と電子伝導体とが一体化した触媒担持カーボンを用いることも好ましい実施態様である。この触媒担持カーボンを用いることにより、触媒の利用効率が向上し、低コスト化に寄与する。電極触媒層に触媒担持カーボンを用いた場合においても、さらに導電剤を添加することも可能である。このような導電剤としても、上述のカーボンブラックが好ましく用いられる。
【0063】
電極触媒層に用いられるイオン伝導体としては、公知のものが特に限定されることなく用いることが可能である。イオン伝導体としては、種々の有機・無機材料が公知であるが、燃料電池に用いる場合には、プロトン電導性を向上するスルホン酸基、カルボン酸基、リン酸基などのイオン交換基を有するポリマが好ましく用いられる。なかでも、フルオロアルキルエーテル側鎖とフルオロアルキル主鎖とから構成されるプロトン交換基を有するポリマが好ましく用いられる。たとえば、DuPont社製のNafion、旭化成社製のAciplex、旭硝子社製Flemionなどが好ましい。これらのイオン交換ポリマを溶液または分散液の状態で電極触媒層中に設けることができる。この際に、プロトン交換樹脂を溶解あるいは分散化する溶媒は特に限定されるものではないが、プロトン交換樹脂の溶解性の点から極性溶媒が好ましい。プロトン交換基を有する上述のフッ素原子を含むポリマや、エチレンやスチレンなどの他のポリマ、これらの共重合体やブレンドであっても構わない。
【0064】
イオン伝導体は、電極触媒層を作成する際に電極触媒粒子と電子伝導体を主たる構成物質とする塗液に予め添加し、均一に分散した状態で塗布することが電極性能の点から好ましいものであるが、電極触媒層を塗布した後にイオン導電体を塗布してもかまわない。電極触媒層にイオン導電体を塗布する方法としては、スプレーコート、刷毛塗り、ディップコート、ダイコート、カーテンコート、フローコートなど特に限定されるものではない。
【0065】
電極触媒層に含まれるイオン伝導体の量としては、要求される電極特性や用いられるイオン伝導体の電導度などに応じて適宜決められるべきものであり、特に限定されるものではないが、重量比で1〜80%が好ましく、5〜50%がさらに好ましい。イオン伝導体は、少ない場合はイオン伝導度が低く、多い場合はガス透過性を阻害する点で、いずれも電極性能を低下させる。
【0066】
電極触媒層には、上記の触媒、電子伝導体、イオン伝導体の他に、種々の物質を含んでいてもかまわない。特に電極触媒層中に含まれる物質の結着性を高めるために、上述のプロトン交換樹脂以外のポリマを含むことも好ましい実施態様である。このようなポリマとしては、フッ素原子を含有するポリマが挙げられ、特に限定されるものではないが、たとえば、ポリフッ化ビニル(PVF)、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、ポリヘキサフルオロプロピレン(FEP)、ポリテトラフルオロエチレン、ポリパーフルオロアルキルビニルエーテル(PFA)など、あるいはこれらの共重合体、これらモノマ単位とエチレンやスチレンなどの他のモノマとの共重合体、さらには、ブレンドなども用いることができる。これらポリマの触媒層中の含有量としては、重量比で5〜40%が好ましい。ポリマ含有量が多すぎる場合、電子およびイオン抵抗が増大し電極性能が低下する。
【0067】
電極触媒層は、触媒−ポリマ複合体が三次元網目微多孔質構造を有することも好ましい実施態様である。触媒−ポリマ複合体は、触媒粒子を含んだポリマ複合体であって、この複合体が三次元網目微多孔質構造となっていることが特徴である。なお、「三次元網目微多孔構造」とは、触媒−ポリマ複合体が立体的に繋がった三次元状の網目構造をしている状態をいう。
【0068】
電極触媒層が三次元網目微多孔質構造を有している場合、その微多孔径が0.05〜5μmであることが好ましい。より好ましくは、0.1〜1μmである。微多孔径は、走査型電子顕微鏡(SEM)などで、表面を撮影した写真から、20個以上好ましくは100個以上の平均から求めることができ、通常は100個で測定できる。湿式凝固法によって製造された場合の本発明の微多孔質構造の触媒層は、微多孔径の分布が広いのでできるだけ多くの孔径の平均をとることが好ましい。
【0069】
三次元網目微多孔質構造の空孔率は、10〜95%であることが好ましい。より好ましくは50〜90%である。空孔率は、触媒層全体積から触媒−ポリマ複合体の占める体積を減じたものを触媒層全体積で除した百分率(%)である。触媒層は、電極基材、プロトン交換膜、それ以外の基材に塗布した後に湿式凝固を行うが、触媒層を単独で空孔率を求めることが困難な場合には、電極基材、プロトン交換膜、それ以外の基材の空孔率を予め求めておき、これら基材と触媒層とを含む空孔率を求めた後に、触媒層単独での空孔率を求めることも可能である。
【0070】
電極触媒層は、特に湿式凝固法に得られた三次元網目微多孔質構造のものは、空孔率が大きくガス拡散性や生成水の排出が良好であり、かつ電子伝導性やプロトン伝導性も良好である。従来の多孔化では、触媒粒子径や添加ポリマの粒子径を増大させたり、造孔剤を用いて空孔を形成するなどが行われているが、このような多孔化方式では触媒担持カーボン間やプロトン交換樹脂間の接触抵抗が電極触媒層に比べて大きくなってしまう。それに対して、湿式凝固法による三次元網目微多孔質構造では、触媒担持カーボンを含んだポリマ複合体が三次元網目状になっているので、このポリマ複合体を電子やプロトンが伝導しやすく、さらに微多孔質構造のためガス拡散性や生成水の排出も良好な構造となっている。
【0071】
電極触媒層が三次元微多孔質構造を有している場合においても、触媒や電子伝導体、イオン伝導体に用いられる物質は従来と同様の物質を用いることが可能である。ただし、三次元網目微多孔質構造を有する電極触媒層を作成する際に湿式凝固法によることが好ましい。従って、前記の場合、この湿式凝固法に適したポリマを用いることが好ましく、また、触媒粒子を良く分散し、燃料電池内の酸化−還元雰囲気で劣化しないポリマを用いるが好ましい。このようなポリマとしては、フッ素原子を含有するポリマが挙げられ、特に限定されるものではないが、たとえば、ポリフッ化ビニル(PVF)、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、ポリヘキサフルオロプロピレン(FEP)、ポリパーフルオロアルキルビニルエーテル(PFA)など、あるいはこれらの共重合体、これらモノマ単位とエチレンやスチレンなどの他のモノマとの共重合体(例えば、ヘキサフルオロプロピレン−フッ化ビニリデン共重合体)、さらには、ブレンドなども用いることができる。
【0072】
この中でも、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)やヘキサフルオロプロピレン−フッ化ビニリデン共重合体は、非プロトン性極性溶媒を用い、プロトン性極性溶媒などを凝固溶媒とする湿式凝固法により、三次元網目微多孔質構造を有する触媒−ポリマ複合体が得られる点で、特に好ましいポリマである。これらポリマの溶媒としてはN−メチルピロリドン(NMP)、ジメチルホルムアミド(DMF)、ジメチルアセトアミド(DMAC)、プロピレンカーボネート(PC)、ジメチルイミダゾリジノン(DMI)などが挙げられ、凝固溶媒としては水や、メタノール、エタノール、イソプロパノールなどの低級アルコール類などのほか、酢酸エチルや酢酸ブチルなどのエステル類、芳香族系あるいはハロゲン系の種々の有機溶剤が用いられる。
【0073】
触媒−ポリマ複合体のポリマとしては、上記のポリマに加えて、プロトン伝導性を向上させるためにプロトン交換基を有するポリマも好ましいものである。このようなポリマに含まれるプロトン交換基としては、スルホン酸基、カルボン酸基、リン酸基などがあるが特に限定されるものではない。また、このようなプロトン交換基を有するポリマも、特に限定されることなく選ばれるが、フルオロアルキルエーテル側鎖とフルオロアルキル主鎖とから構成されるプロトン交換基を有するポリマが好ましく用いられる。たとえば、DuPont社製のNafionなども好ましいものである。また、プロトン交換基を有する上述のフッ素原子を含有するポリマや、エチレンやスチレンなどの他のポリマ、これらの共重合体やブレンドであっても構わない。
【0074】
Nafionのポリマ溶液は、市販のNafion膜を非プロトン性極性溶媒に溶かしても良いし、Aldrich社製の水−メタノール−イソプロパノール混合溶媒のNafion溶液、あるいはこのNafion溶液を溶媒置換したもの用いても良い。この場合、湿式凝固の際の凝固溶媒は、Nafion溶液の溶媒により適宜決められるべきものであるが、Nafion溶液の溶媒が非プロトン性極性溶媒である場合には、凝固溶媒としては水やアルコール類、エステル類のほか、種々の有機溶媒などが好ましく、水−メタノール−イソプロパノール混合溶媒などの場合には、酢酸ブチルなどのエステル類、種々の有機溶媒が好ましく用いられる。
【0075】
触媒−ポリマ複合体に用いられるポリマは、上記のフッ素原子を含有するポリマやプロトン交換基を含むポリマを共重合あるいはブレンドして用いることも好ましいものである。特にポリフッ化ビニリデン、ポリ(ヘキサフルオロプロピレン−フッ化ビニリデン)共重合体などと、プロトン交換基にフルオロアルキルエーテル側鎖とフルオロアルキル主鎖を有するNafionなどのポリマを、ブレンドすることは電極性能の点から好ましいものである。
【0076】
触媒−ポリマ複合体の主たる成分は触媒担持カーボンとポリマであり、それらの比率は必要とされる電極特性に応じて適宜決められるべきもので特に限定されるものではないが、触媒担持カーボン/ポリマの重量比率で5/95〜95/5が好ましく用いられる。特に固体高分子型燃料電池用電極触媒層として用いる場合には、触媒担持カーボン/ポリマ重量比率で40/60〜85/15が好ましいものである。
【0077】
触媒−ポリマ複合体には、種々の添加物を加えることも好ましい実施態様である。たとえば、電子伝導性向上のための炭素などの導電剤や、結着性向上のためのポリマ、三次元網目微多孔質構造の孔径を制御する添加物などがあるが、特に限定されることなく用いることができる。これら添加物の添加量としては、触媒−ポリマ複合体に対する重量比率として0.1〜50%が好ましく、1〜20%がさらに好ましい。
【0078】
三次元網目微多孔質構造を有する触媒−ポリマ複合体の製造方法としては、湿式凝固法によるものが好ましい。この湿式凝固法は、触媒−ポリマ溶液組成物を塗布した後に、この塗布層をポリマに対する凝固溶媒と接触させて、触媒−ポリマ溶液組成物の凝固析出と溶媒抽出とが同時に行なわれる。
【0079】
この触媒−ポリマ溶液組成物は、ポリマ溶液中に触媒担持カーボンが均一に分散したものである。触媒担持カーボンとポリマは前述のものが好ましく用いられる。ポリマを溶かす溶媒については、用いられるポリマに応じて適宜決められるべきもので、特に限定されるものではない。ポリマ溶液は触媒担持カーボンを良く分散していることが重要である。分散状態が悪い場合には、湿式凝固の際に、触媒担持カーボンとポリマとが複合体を形成することができず好ましくない。
【0080】
塗布方法については、触媒−ポリマ溶液組成物の粘度や固形分などに応じた塗布方法が選択され、特に限定されるべきものではないが、ナイフコーター、バーコーター、スプレー、ディップコーター、スピンコーター、ロールコーター、ダイコーター、カーテンコーターなどの一般的な塗布方法が用いられる。
【0081】
一方、ポリマを湿式凝固させる凝固溶媒についても特に限定されるものではないが、用いられるポリマを凝固析出しやすく、かつポリマ溶液の溶媒と相溶性がある溶媒が好ましい。湿式凝固が実際に行われる凝固溶媒との接触方法についても、特に限定されるものではないが、凝固溶媒に基材ごと浸漬する、塗布層のみを凝固溶媒の液面に接触させる、凝固溶媒を塗布層にシャワリングあるいはスプレーする、など特に限定されるものではない。
【0082】
この触媒−ポリマ溶液組成物が塗布される基材については、電極基材あるいは固体電解質の何れにおいても塗布、その後に湿式凝固を行うことが可能であるが、電極基材に塗布の直後に湿式凝固を行うことで電極基材への触媒層の浸み込みを抑制することが可能となり、本発明の好ましい実施態様となる。また、電極基材や固体電解質以外の基材(転写基材)に塗布し、その後に湿式凝固を行い、三次元網目微多孔質構造を作成した後に、この触媒層を電極基材や固体電解質に転写あるいは挟持させても良い。この場合の転写基材としては、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)のシート、あるいは表面をフッ素やシリコーン系の離型剤処理したガラス板や金属板なども用いられる。
【0083】
本発明の電極は、電極基材の中に電極触媒層が浸み込んでいる混合層を20μm以下の厚さにすることによって、有効利用されない無駄な触媒低減することを目的とするものであり、その製造方法は特に限定されるものではない。電極基材に多孔質導電シートを用いる場合、電極触媒層塗液が電極基材に浸み込みやすいため、本発明の電極とするためには浸み込まない工夫が必要である。例えば、電極触媒層塗液の粘度を高くする、電極基材および含まれる高分子材料と電極触媒層塗液の表面エネルギーの差を大きくするなどの方法がある。
【0084】
電極触媒層塗液の粘度を高くすると、多孔質導電シートへの浸み込みが抑制される。粘度を高めるには、触媒層塗液の溶媒以外の固形分比率を高くする、触媒層塗液に含まれる高分子物質の分子量を高くする、触媒層塗液に種々の増粘剤を添加するなどの方法がある。増粘剤の例としては、グリセリンなどの多価アルコール類、オクタノールなどの高級アルコール類、カルボキシメチルセルロース、ヒドロキシプロピルセルロースなどのセルロース類、ポリビニルアルコール、ポリビニルピロリドンなどの高分子化合物、アセチレンブラック、ケッチェンブラックなどのカーボンブラック類などが好ましいが、特に限定されるものではない。
【0085】
電極基材および含まれるポリマと電極触媒層塗液との表面エネルギー差を利用する場合は、電極基材と電極触媒層塗液との静的接触角が50°以上(より好ましくは70°以上)とすることで、浸み込みを抑制することが可能である。電極基材は、燃料電池に用いる場合は撥水処理を行うためにフッ素樹脂を含み、表面自由エネルギーが低くなっている。このため、表面自由エネルギーの大きな溶媒を含む電極触媒層塗液を用いることで、静的接触角が増大し浸み込み抑制がなされる。電極触媒層にはイオン伝導体としてプロトン交換樹脂が含まれている。このためイオン交換樹脂を含む触媒層塗液は水を含んでおり、このような場合、静的接触角が大きくなることで浸み込み抑制がなされる。電極基材にフッ素樹脂が含まれる場合には、水のほかN−メチルピロリドンを電極触媒層塗液の溶媒に用いると、静的接触角が大きくなり浸み込み抑制がなされる。静的接触角の測定は、基材上に触媒層塗液をマイクロシリンジで一滴落とし、側面から顕微鏡で測定するという、一般的な測定法でよい。
【0086】
本発明の電極は、固体電解質層とを組み合わせることにより膜−電極複合体(MEA:Membrane Electrode Assembly)とすることも好ましい実施態様である。
【0087】
固体電解質層を構成している固体電解質としては、通常の燃料電池に用いられる固体電解質であれば特に限定されるものではないが、プロトン交換膜が本発明の燃料電池性能を発現するうえで好ましく用いられる。プロトン交換膜のプロトン交換基としては、スルホン酸基、カルボン酸基、リン酸基など特に限定されるものではない。
【0088】
このプロトン交換膜は、上記のプロトン交換基、特にスルホン酸基を有する、スチレン−ジビニルベンゼン共重合体などの炭化水素系と、フッ素原子含有ポリマ、特にフルオロアルキルエーテル側鎖とフルオロアルキル主鎖とから構成される共重合体のパーフルオロ系に大別され、燃料電池が用いられる用途や環境に応じて適宜選択されるべきものであるが、フッ素原子含有ポリマ、特にパーフルオロ系が燃料電池寿命の点から好ましいものである。また、部分的にフッ素原子置換した部分フッ素膜も好ましく用いられる。パーフルオロ膜では、DuPont社製Nafion、旭化成製Aciplex、旭硝子製Flemion、ジャパンゴアテックス社製Goa-selectなどが例示され、部分フッ素膜では、トリフルオロスチレンスルホン酸の重合体やポリフッ化ビニリデンにスルホン酸基を導入したものなどがある。また、プロトン交換膜は1種のポリマばかりでなく、2種以上のポリマの共重合体やブレンドポリマ、2種以上の膜を貼り合わせた複合膜、プロトン交換膜を不織布や多孔フィルムなどで補強した膜なども用いることができる。
【0089】
膜−電極複合体の製造方法としては、特に限定されるものではない。一般的には、電極基材上に電極触媒層を設けて電極を作成し、この電極をプロトン交換膜などの固体電解質と接合するが、この接合条件についても電極触媒層あるいは電気化学装置の特性に応じて適宜決められるべきものである。
【0090】
本発明の電極の特性を活かす上では、電極基材と電極触媒層とから構成される電極を予め2枚作成し、これらの2枚の電極の間にプロトン交換膜を各電極の電極触媒層側がプロトン交換膜に対面するように配置し、前記2枚の電極で該プロトン交換膜を狭持させて接合することによるMEAの製造方法が好ましいものである。この接合は加温プレスとなるが、この条件についても特に限定されるものではない。一般的には、プレス温度は20℃〜200℃、プレス圧力は1MPa〜20MPaである。
【0091】
その他の膜-電極複合体製造方法としては、プロトン交換膜の表裏両面に前記電極触媒層を設ける工程(工程A)、該電極触媒層の両外側面に電極基材を設ける工程(工程B)をこの順で行うことも好ましい製造方法である。この方法は、電極基材への触媒層塗布を行わないため、基材への触媒層浸み込みを抑制する点で本発明の電極からなるMEAを作成可能とする方法である。
【0092】
特に、電極触媒層塗液をプロトン交換膜上に塗工し、その後に電極基材を設けるMEA製造方法も好ましいものである。この場合においては、触媒塗液を塗布するプロトン交換膜は水や有機溶媒により膨潤しやすいため、触媒層塗液に用いる溶媒は、プロトン交換膜を膨潤しにくい溶媒を選択する必要がある。しかしながら、触媒層塗液にはプロトン交換樹脂が含まれおり、このプロトン交換樹脂を溶解する溶媒ではプロトン交換膜を膨潤あるいは溶かしてしまうことになる。このため、触媒層塗液においては、含まれるプロトン交換樹脂を溶解することなく、エマルジョンなどの形態で分散させる溶媒を用いることが好ましい。例えば、プロトン交換樹脂溶液を溶媒除去、乾燥、粉砕し、得られたプロトン交換樹脂粉末と触媒担持カーボンとをプロトン交換膜を膨潤させない溶媒中で混合・分散する方法、あるいは、プロトン交換樹脂溶液と触媒担持カーボンとの分散液を溶媒除去、乾燥、粉砕し、得られた粉末をプロトン交換樹脂と膨潤しない溶媒に再分散する方法、などが挙げられるが特に限定されるものではない。
【0093】
さらに、上記の工程Aにおいて、電極触媒塗液を電極基材やプロトン交換膜以外の転写基材上に塗布して電極触媒層を形成し、これをプロトン交換膜上に転写することも好ましいMEA製造方法である。この際の転写基材としては、各種の樹脂、あるいはPTFE、PFA、FEPなどのフッ素樹脂からなるシートやフィルムなどの転写基材や、ガラス板などを用いることが可能である。特にシートやフィルムに電極触媒層を塗工して、それをプロトン交換膜とロールプレスすることで、プロトン交換膜上に転写することが可能である。
【0094】
また、上記工程Bにおいて、電極基材を構成する物質をプロトン交換膜に塗工することで電極基材を設けることも好ましいMEA製造方法である。電極基材を構成する無機導電性繊維や粒子を液状あるいは固体状で、電極触媒層を設けたプロトン交換膜に吹き付けることによりMEAが作成される。特に、電極基材を構成する無機導電性物質が炭素短繊維の場合には、これとフッ素原子含有ポリマを含む分散液を予め作成し、この分散液を電極触媒層を設けたプロトン交換膜上に吹き付けることにより塗工することも好ましい。
【0095】
本発明の電極基材と電極触媒層とからなる電極、あるいは該電極と固体電解質膜からなる膜−電極複合体(MEA)は、種々の電気化学装置に適応することができる。なかでも燃料電池や水電解層が好ましく、さらに燃料電池のなかでも固体高分子型燃料電池に好適である。燃料電池には、水素を燃料とするものとメタノールなどの炭化水素を燃料とするものがあるが、特に限定されることなく用いることができる。
【0096】
さらに、本発明の電極触媒層を用いた燃料電池の用途としては、特に限定されることなく考えられるが、固体高分子型燃料電池において有用な用途である移動体の電力供給源が好ましいものである。特に、乗用車、バス、トラックなどの自動車や船舶、鉄道なども好ましい移動体である。
【0097】
【実施例】
以下本発明の詳細につき実施例を用いてさらに説明する。
【0098】
実施例1
(1)電極基材の作成
多孔質導電シートとしてカーボンペーパー(東レ製TGP−H−060)を用い、これをPTFE分散液(ダイキン工業製:ポリフロンTFE D−1、ディスパージョン平均粒径0.2−0.4μm、60重量%、水溶液)に含浸し、乾燥後、370℃にて焼成した。PTFEの付き量は20重量%であった。
【0099】
(2)触媒層塗液の調製
市販のAldrich社製Nafion溶液(5重量%)を濃縮して15重量%とした。この濃縮Nafion溶液10gに触媒担持カーボン(触媒;Pt、カーボン;Cabot社製VulcanXC-72、白金担持量;50wt%)3gを加え、良く攪拌して触媒−ポリマ組成物からなる触媒層塗液を調製した。
【0100】
(3)電極触媒層塗液の塗布、乾燥による電極の作成
前記(1)で作成した多孔質導電シート上に、前記(2)で調製した触媒層塗液を塗布、乾燥し、電極基材と電極触媒層とから構成される電極を作成した。得られた電極は、白金付き量0.5mg/cm2、Nafionの付き量0.3mg/cm2であった。
【0101】
この電極の断面SEM写真を図1(1)に、またX線マイクロアナリシスによる白金の分布を図1(3)に示す。電極触媒層が電極基材へ浸み込んだ混合層の厚さは10μm、混合層を含まない純触媒層は15μmであった。
【0102】
比較例1
(1)電極基材の作成
実施例1と同様に、多孔質導電シートとしてカーボンペーパー(東レ製TGP−H−060)を用い、これをPTFE分散液(ダイキン工業製:ポリフロンPTFEディスパージョン)に含浸し、乾燥後、370℃にて焼成した。PTFEの付き量は20重量%であった。
【0103】
(2)触媒層塗液の調製
市販のAldrich社製Nafion溶液(5重量%)をそのまま用いて、触媒担持カーボン(触媒;Pt、カーボン;Cabot社製VulcanXC-72、白金担持量;50wt%)を加え、良く攪拌して触媒−ポリマ組成物からなる触媒層塗液を調製した。
【0104】
(3)電極触媒層塗液の塗布、乾燥による電極の作成
前記(1)で作成した多孔質導電シート上に、前記(2)で調製した触媒層塗液を塗布、乾燥し、電極基材と電極触媒層とから構成される電極を作成した。得られた電極は、白金付き量0.5mg/cm2、Nafionの付き量0.3mg/cm2であった。
【0105】
この電極の断面SEM写真からは、電極触媒層が電極基材へ浸み込んだ混合層の厚さは、40μmであった。
【0106】
実施例2
(1)電極基材の作成
多孔質導電シートとしてカーボンペーパー(東レ製TGP−H−060)を用い、これをPFA分散液(ダイキン工業製:ネオフロンPFA AD−2CR)に含浸し、乾燥後、320℃にて焼成した。PFAの付き量は20重量%であった。
【0107】
(2)触媒層塗液の調製
市販のAldrich社製Nafion溶液(5重量%)に増粘剤としてカルボキシメチルセルロースを0.1重量%添加した。これに、触媒担持カーボン(触媒;Pt、カーボン;Cabot社製VulcanXC-72、白金担持量;50wt%)を加え、良く攪拌して触媒−ポリマ組成物からなる触媒層塗液を調製した。
【0108】
(3)電極触媒層塗液の塗布、乾燥による電極の作成
前記(1)で作成した多孔質導電シート上に、前記(2)で調製した触媒層塗液を塗布、乾燥し、電極基材と電極触媒層とから構成される電極を作成した。得られた電極は、白金付き量0.5mg/cm2、Nafionの付き量0.3mg/cm2であった。
【0109】
この電極の断面SEM写真からは、電極触媒層が電極基材へ浸み込んだ混合層の厚さは、10μmであった。
【0110】
実施例3
(1)電極基材の作成
実施例2と同様に、多孔質導電シートとしてカーボンペーパー(東レ製TGP−H−060)を用い、これをPFA分散液(ダイキン工業製:ネオフロンPFAディスパージョン)に含浸し、乾燥後、320℃にて焼成した。PFAの付き量は20重量%であった。
【0111】
(2)触媒層塗液の調製
市販のAldrich社製Nafion溶液(5重量%)を濃縮しながらN−メチルピロリドンを添加して、溶媒置換を行った。得られたNafion溶液は10重量%であった。これに触媒担持カーボン(触媒;Pt、カーボン;Cabot社製VulcanXC-72、白金担持量;50wt%)を加え、良く攪拌して触媒−ポリマ組成物からなる触媒層塗液を調製した。
【0112】
(3)触媒−ポリマ組成物の塗布、乾燥による電極触媒層の作成
前記(1)で作成した多孔質導電シート上に、前記(2)で調製した触媒層塗液を塗布、乾燥し、電極基材と電極触媒層とから構成される電極を作成した。得られた電極は、白金付き量0.5mg/cm2、Nafionの付き量0.3mg/cm2であった。
【0113】
この電極基材上に触媒層塗液を一滴静置した際の静的接触角は、90°であった。
【0114】
この電極の断面SEM写真からは、電極触媒層が電極基材へ浸み込んだ混合層の厚さは、15μmであった。
【0115】
実施例4
(1)電極基材の作成
実施例1と同様に、多孔質導電シートとしてカーボンペーパー(東レ製TGP−H−060)を用い、これをPTFE分散液(ダイキン工業製:ポリフロンPTFEディスパージョン)に含浸し、乾燥後、370℃にて焼成した。PTFEの付き量は20重量%であった。
【0116】
(2)触媒層塗液の調製
市販のAldrich社製Nafion溶液(5重量%)を濃縮して10重量%とした。これに触媒担持カーボン(触媒;Pt、カーボン;Cabot社製VulcanXC-72、白金担持量;50wt%)を加え、良く攪拌して触媒−ポリマ組成物からなる触媒層塗液を調製した。
【0117】
(3)電極触媒層の塗布、湿式凝固、乾燥による微多孔構造電極の作成
前記(1)で作成した多孔質導電シート上に、前記(2)で調製した触媒層塗液を塗布後、直ちに酢酸ブチルに浸漬、乾燥することにより、電極基材と微多孔構造電極触媒層とから構成される電極を作成した。得られた電極は、白金付き量0.5mg/cm2、Nafionの付き量0.3mg/cm2であった。
【0118】
この電極の断面SEM写真からは、電極触媒層が電極基材へ浸み込んだ混合層の厚さは、10μmであった。
【0119】
実施例5
(1)多孔質導電シートの作成
長さ12mmにカットされたPAN系炭素繊維の短繊維と膨張黒鉛粉末(東洋炭素(株)製、かさ密度0.14g/cm3、平均粒径100乃至200μm)を、重量比で1:1に混合し、ナトリウムカルボキシメチルセルロース水溶液中に分散した。この分散液を用い、炭素繊維の短繊維に膨張黒鉛粉末が付着したシートを金網上に抄造した。水分を除去する目的で、シートを2枚の濾紙に挟み軽く加圧した。その後、濾紙を外してシートを乾燥した。乾燥後、シートをロールプレスし、多孔質導電シートを製造した。得られたシートは80g/m2であった。
【0120】
(2)電極基材の作成
前記(1)で作成した多孔質導電シートを空気中で200℃、30分の熱処理を行った後、PFAディスパージョン(ネオフロンPFAディスパージョン、ダイキン工業株式会社製)を含浸し、2枚の濾紙に挟んで軽く加圧、乾燥した。さらにこのシートを、14.7kPa(0.15kgf/cm2)で加圧しながら400℃、3時間の熱処理を行い、多孔質導電シートを製造した。PFAの付き量は15重量%であった。
【0121】
(3)電極触媒層の作成
市販のAldrich社製Nafion溶液(5重量%)を濃縮しながらN−メチルピロリドンを添加して、溶媒置換を行った。得られたNafion溶液は10重量%であった。これに触媒担持カーボン(触媒;Pt、カーボン;Cabot社製VulcanXC-72、白金担持量;50wt%)を加え、良く攪拌して触媒−ポリマ組成物からなる触媒層塗液を調製した。
【0122】
(4)電極触媒層塗液の塗布、乾燥による電極の作成
前記(2)で作成した多孔質導電シート上に、前記(3)で調製した触媒層塗液を塗布、乾燥し、電極基材と電極触媒層とから構成される電極を作成した。得られた電極は、白金付き量0.5mg/cm2、Nafionの付き量0.3mg/cm2であった。
【0123】
この電極基材上に触媒層塗液を一滴静置した際の静的接触角は、90°であった。
【0124】
この電極の断面SEM写真からは、電極触媒層が電極基材へ浸み込んだ混合層の厚さは、15μmであった。
【0125】
実施例6
(1)電極の作成
実施例2と同様に電極を作成した。
【0126】
(2)膜−電極複合体(MEA)
前記(1)において作成した電極を2枚用意し、プロトン交換膜(DuPont社製ナフィオン112)の両側から電極触媒層面を対向させて狭持した。これを150℃、150MPaでホットプレスを行い、MEAを作成した。
【0127】
このMEAの断面をSEM観察したところ、電極触媒層が電極基材へ浸み込んだ混合層の厚さは10μmであった。
【0128】
(3)MEAの燃料電池性能評価
前記(2)において作成したMEAは、電流−電圧(I−V)測定により燃料電池性能評価を行った。評価セル温度は70℃、アノード(燃料)ガスを水素、カソード(酸化)ガスを空気、ガス圧力は常圧において最高出力450mW/cm2であり良好な性能を示した。
【0129】
比較例2
比較例1において作成した電極を用い、実施例6と同様にMEAを作成した。
【0130】
このMEA断面のSEM観察では、電極触媒層が電極基材に浸み込んだ混合層の厚さは30μであった。
【0131】
さらに、このMEAを実施例6と同じ条件でI−V測定したが、最高出力250mW/cm2と実施例6に比べて低出力であり、劣った性能であった。
【0132】
実施例7
(1)電極触媒層塗液の作成
市販のプロトン交換樹脂溶液(Aldrich社製Nafion溶液)を凍結乾燥、凍結粉砕を行い、プロトン交換樹脂粉末を作成した。この粉末1.5gと触媒担持カーボン(触媒;Pt、カーボン;Cabot社製VulcanXC-72、白金担持量;50wt%)3gを酢酸ブチル10gに加えて、混合・分散を充分に行い、触媒層塗液を作成した。
【0133】
(2)MEAの作成
前記(1)において作成した電極触媒層塗液を用い、市販のプロトン交換膜(DuPont社製ナフィオン112)の両面に塗布、乾燥した。この両側から、電極基材としてカーボンクロス(E−TEK社製ELAT)を狭持させてMEAを作成した。
【0134】
得られたMEAの断面SEM観察を行ったところ、電極触媒層が電極基材へ浸み込んだ混合層の厚さは5μmであった。
【0135】
(3)MEAの燃料電池性能評価
前記(2)において作成したMEAは、電流−電圧(I−V)測定により燃料電池性能評価を行った。評価セル温度は70℃、アノード(燃料)ガスを水素、カソード(酸化)ガスを酸素、ガス圧力は常圧において最高出力800mW/cm2であり良好な性能を示した。
【0136】
実施例8
(1)電極触媒層塗液の作成
市販のプロトン交換樹脂溶液(Aldrich社製Nafion溶液5%)10gに触媒担持カーボン(触媒;Pt、カーボン;Cabot社製VulcanXC-72、白金担持量;50wt%)を1g加えて、充分に混合・分散を行った後、溶媒を乾燥除去、粉砕して粉末を得た。この粉末にジオキサン8gを加えて、混合・分散を充分に行い、触媒層塗液を作成した。
【0137】
(2)MEAの作成
実施例7(2)と同様に、前記(1)において作成した電極触媒層塗液と実施例5(1)で作成した電極基材を用いてMEAを作成した。得られたMEAの断面SEM観察からは、混合層の厚さは5μmであった。
【0138】
(3)MEAの燃料電池性能評価
前記(2)において作成したMEAは、電流−電圧(I−V)測定により燃料電池性能評価を行った。評価セル温度は80℃、アノード(燃料)ガスを水素、カソード(酸化)ガスを空気、ガス圧力は0.2MPaにおいて最高出力850mW/cm2であり良好な性能を示した。
【0139】
実施例9
(1)電極基材の作成
実施例5(1)(2)と同様に電極基材を作成した。
【0140】
(2)電極触媒層の作成
市販のAldrich社製Nafion溶液(5重量%)に触媒担持カーボン(触媒;Pt、カーボン;Cabot社製VulcanXC-72、白金担持量;50wt%)を加え、良く攪拌して触媒−ポリマ組成物からなる触媒層塗液を調製した。この触媒層塗液を厚さ100μmのテフロンシート上に、塗布、乾燥し、電極触媒層を作成した。得られた電極触媒層は、白金付き量0.5mg/cm2、Nafionの付き量0.3mg/cm2であった。
【0141】
(3)プロトン交換膜への電極触媒層の転写
前記(2)において作成した電極触媒層を2枚用意し、プロトン交換膜(DuPont社製ナフィオン112)の両側から電極触媒層面を対向させて狭持した。これをロールプレスして、プロトン交換膜へ電極触媒層を転写し、電極触媒層つきプロトン交換膜を作成した。
【0142】
(4)MEAの作成
前記(3)で作成した電極触媒層つきプロトン交換膜を用い、前記(1)で作成した電極基材2枚を両側から狭持させてMEAを作成した。このMEAの断面SEM観察からは、混合層の厚さは5μmであった。
【0143】
(5)MEAの性能評価
前記(4)において作成したMEAは、電流−電圧(I−V)測定により燃料電池性能評価を行った。評価セル温度は60℃、アノード(燃料)ガスを水素、カソード(酸化)ガスを空気、ガス圧力は常圧において最高出力350mW/cm2であり良好な性能を示した。
【0144】
実施例10
(1)電極触媒層塗液の作成
市販のプロトン交換樹脂溶液(Aldrich社製Nafion溶液)を凍結乾燥、凍結粉砕を行い、プロトン交換樹脂粉末を作成した。この粉末1.5gと触媒担持カーボン(触媒;Pt、カーボン;Cabot社製VulcanXC-72、白金担持量;50wt%)3gを酢酸ブチル10gに加えて、混合・分散を充分に行い、触媒層塗液を作成した。
【0145】
(2)電極基材塗液の作成
長さ12mmにカットされたPAN系炭素繊維の短繊維と膨張黒鉛粉末(東洋炭素(株)製、かさ密度0.14g/cm3、平均粒径100乃至200μm)を、重量比で1:1に混合し、PFAディスパージョン(ネオフロンPFAディスパージョン、ダイキン工業株式会社製)に充分に混合・分散し、電極基材塗液を作成した。PFAの付き量は15重量%であった。
【0146】
(3)MEAの作成
前記(1)において作成した電極触媒層塗液を用い、市販のプロトン交換膜(DuPont社製ナフィオン112)の両面に塗布、乾燥した。この両側から、前記(2)で作成した電極触媒層塗液を塗布、乾燥してMEAを作成した。
【0147】
得られたMEAの断面SEMからは、混合層の厚さは5μmであった。
【0148】
(4)MEAの性能評価
前記(3)において作成したMEAは、電流−電圧(I−V)測定により燃料電池性能評価を行った。評価セル温度は70℃、アノード(燃料)ガスを水素、カソード(酸化)ガスを酸素、ガス圧力は常圧において最高出力500mW/cm2であり良好な性能を示した。
【0149】
【発明の効果】
本発明により触媒浸み込みの少ない電極が得られ、したがって、触媒の利用効率が向上し、触媒量低減による低コスト化電極が得られる。
【0150】
本発明の電極は、膜-電極複合体(MEA)に適用されるほか、通常の電気化学装置、特に固体高分子型燃料電池にも適用され、この燃料電池を用いた移動体や自動車にも適用されるものである。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の実施例の断面図である。
【符号の説明】
1:本発明実施例の断面の走査型電子顕微鏡写真
2:断面区分表示
3:本発明実施例の断面のX線マイクロアナリシスによる白金の分布図
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an electrode or membrane-electrode composite used in a fuel cell or various electrochemical devices, and a method for producing them.
[0002]
[Prior art]
A fuel cell is a power generation device with low emissions, high energy efficiency, and low environmental burden. For this reason, it is in the spotlight again in recent years to the protection of the global environment. It is a power generation device that is expected in the future as a power generation device for a mobile body such as a distributed power generation facility, a car or a ship that is relatively small compared to a conventional large-scale power generation facility.
[0003]
There are various types of fuel cells such as a solid polymer type, a phosphoric acid type, a solid oxide type, a molten carbonate type, and an alkaline type depending on the type of electrolyte used. In particular, solid polymer fuel cells have features such as lower operating temperatures, shorter start-up times, higher output, easier downsizing and weight reduction, and resistance to vibration than other fuel cells. Suitable for body power supply.
[0004]
A fuel cell is configured as a unit of a cell in which an anode electrode and a cathode electrode in which a reaction responsible for power generation occurs and an electrolyte serving as an ion conductor between the anode and the cathode are sandwiched between separators. The electrode is composed of an electrode base material (also referred to as a current collector) that promotes gas diffusion and collects (supply) electricity, and an electrode catalyst layer that actually becomes an electrochemical reaction field. For example, in the anode electrode of a polymer electrolyte fuel cell, the fuel gas reacts on the catalyst surface to generate protons and electrons, the electrons are conducted to the electrode substrate, and the protons are conducted to the proton exchange membrane of the electrolyte. For this reason, the anode electrode is required to have good gas diffusibility, electron conductivity, and ion conductivity. On the other hand, in the cathode electrode, the oxidizing gas on the surface of the catalyst layer reacts with protons conducted from the electrolyte and electrons conducted from the electrode base material to generate water. For this reason, it is also necessary to efficiently discharge the generated water together with gas diffusibility, electronic conductivity, and ion conductivity.
[0005]
From such a point, a porous conductive sheet having conductivity and good gas permeability has been used for the electrode substrate (current collector). For example, JP-A-6-20710, JP-A-7-326362, or JP-A-7-220735 has been proposed. The current collectors disclosed in these are composed of a porous carbon plate in which carbon fibers having a short length are bound with carbon.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
The porous conductive sheet described above has good gas permeability, but when an electrode catalyst layer was applied on the sheet, a phenomenon in which the catalyst coating solution penetrated into the pores was observed. This catalyst penetration phenomenon increases the number of catalysts that are not used effectively. Since noble metal catalysts are used in fuel cells, an increase in the number of catalysts that are not used effectively leads to an increase in the cost of the electrodes. In particular, solid polymer fuel cells have high expectations for automotive applications. In addition to performance, cost is an important factor for adaptation to automotive applications. The current polymer electrolyte fuel cells are expected to become more popular if the cost is reduced. For this reason, an electrode with less catalyst penetration has been desired.
[0007]
An object of the present invention is to solve the above problems and to obtain an electrode with less catalyst penetration, thereby improving the utilization efficiency of the catalyst and obtaining a cost-reduced electrode by reducing the amount of catalyst.
[Means for Solving the Problems]
The present invention has the following configuration in order to solve the above problems.
[0008]
  That is, the electrode of the present invention is an electrode composed of at least an electrode base material and an electrode catalyst layer, and the electrode catalyst layer soaks into the electrode base material to form a mixed layer. The thickness of the mixed layer3μm or moreIt is characterized by being 20 μm or less.
[0009]
The method for producing an electrode of the present invention is produced by providing an electrode catalyst layer on an electrode substrate. The electrode catalyst coating solution is applied on the electrode substrate, and the electrode catalyst layer is applied to the electrode substrate. It is characterized by providing.
[0010]
Furthermore, the electrode of the present invention is applied not only to a membrane-electrode assembly (MEA) but also to an ordinary electrochemical device, particularly a polymer electrolyte fuel cell. A mobile body or an automobile using the fuel cell is used. It also applies to.
[0011]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described.
[0012]
  The present invention provides an electrode composed of at least an electrode base material and an electrode catalyst layer, and the thickness of the mixed layer in which the electrode catalyst layer is immersed in the electrode base material is3μm or moreThe electrode base material and the electrode catalyst layer used here are not particularly limited.
[0013]
In the present invention, the mixed layer is a layer in which the electrode catalyst layer is soaked in the electrode base material. Therefore, the constituent components of the electrode catalyst layer not including the electrode base material (for example, catalyst metal, catalyst particles, carbon black) , A layer composed only of fluorine atoms (hereinafter referred to as a pure electrode catalyst layer) is not included in the mixed layer. Therefore, the thickness of the pure electrocatalyst layer is not included in the thickness of the mixed layer of the present invention, and is calculated by excluding it. However, it does not prevent the electrode of the present invention from having the pure electrode catalyst layer. Therefore, the electrode catalyst layer of the present invention may include a pure electrode catalyst layer together with the mixed layer.
[0014]
In the present invention, the electrode catalyst layer is soaked in the electrode base material. In at least some layers or regions of the electrode base material, the electrode is formed in the void portion where the constituent material of the electrode base material does not exist. It means a state in which a catalyst component is present. Certainly, the production method in which the electrode catalyst constituent material in a liquid state that is not solidified or immobilized with respect to the electrode base material that has already been formed is invaded to form the mixed layer or the present invention. This is one of the preferred methods for producing the electrode catalyst layer. However, it does not mean that the mixed layer or the electrode catalyst layer of the present invention is necessarily limited to being formed by this production method.
[0015]
  The thickness of the mixed layer in the present invention is an average thickness. Therefore, even if there is a portion that does not locally satisfy the numerical range of the present invention, as long as the average value is satisfied, the thickness is within the technical scope of the present invention. Needless to say. The thickness of the mixed layer is preferably 15 μm or less, more preferably 10 μm or less. still3Must be μm or moreIs necessaryMore preferably, it is 5 μm or more. If the above upper limit is exceeded, the amount of catalyst that is soaked in and effectively used will decrease, and if it falls below the lower limit, resistance may increase when a membrane-electrode composite is produced, which is not preferable. is there.
[0016]
  In the present invention, the thickness of the mixed layer in which the electrode catalyst layer is immersed in the electrode substrate can be confirmed by observation with a scanning electron microscope (SEM) of the electrode cross section. In general, since the electrode substrate has a porous structure and the electrode catalyst layer has a structure filled with particles, a mixed layer in which the electrode catalyst particles are immersed in the porous electrode substrate is observed. The In addition, a mixed layer in which the electrode catalyst layer is immersed in the electrode base material may not be clearly observed, as in the case where the electrode base material contains conductive fine particles such as carbon powder. In such a case, by using a combination of SEM and X-ray microanalysis (XMA) (SEM-XMA), observe how far a noble metal catalyst such as platinum contained in the electrode catalyst has penetrated the electrode substrate. It is possible to determine the thickness of the mixed layer by.
[0017]
In SEM-XMA, the pure electrode catalyst layer and the mixed layer are measured by the following procedure. First, the interface between the conductive sheet and the pure electrode catalyst layer is confirmed from SEM observation, and the thickness of the pure electrode catalyst layer is measured. Next, the presence of Pt used for the electrode catalyst is confirmed by XMA measurement in the shade of the screen, and the total thickness of the pure electrode catalyst layer and the mixed layer immersed in the conductive sheet is measured. The thickness of the mixed layer can be obtained from the difference between the two.
[0018]
The electrode substrate used in the present invention is not particularly limited as long as it has a low electrical resistance and can collect (supply) electricity. Characteristic is expressed. Examples of the constituent material of the electrode base material include those mainly composed of a conductive inorganic substance. Examples of the conductive inorganic substance include a fired body from polyacrylonitrile, a fired body from pitch, graphite, and expanded graphite. Examples thereof include carbon materials, stainless steel, molybdenum, and titanium. The form of the conductive inorganic material is not particularly limited, such as fibrous or particulate, but when used in an electrochemical device using gas as an electrode active material such as a fuel cell, the fibrous conductive inorganic material is used from the viewpoint of gas permeability. (Inorganic conductive fiber) Carbon fiber is particularly preferable. As the porous conductive sheet using inorganic conductive fibers, either a woven fabric or a non-woven fabric structure can be used. For example, carbon paper TGP series, SO series manufactured by Toray Industries, Inc., carbon cloth manufactured by E-TEK, etc. are used.
[0019]
The electrode substrate used in the present invention preferably has a thickness of 0.02 to 0.3 mm when a uniform surface pressure of 2.9 MPa is applied in the thickness direction. More preferably, it is 0.04 to 0.2 mm. When the thickness is less than 0.02 mm, the electrode base material is buried in the gas flow path of the separator when used in a fuel cell, the diffusion / permeability in the surface direction is low, the strength is weak, and the workability is poor. When it is thicker than 0.3 mm, the electric resistance in the thickness direction increases. The thickness is determined when the electrode substrate is sandwiched between two glassy carbon plates having a uniform thickness and a smooth surface, and is pressed with a uniform surface pressure of 2.9 MPa, and the electrode substrate is not sandwiched. It is calculated from the difference between the upper and lower indenters. In measuring the distance between the indenters, the distance between the indenters is measured by a minute displacement detector at both ends sandwiching the center point of the indenter, and the distance between the indenters is calculated as an average value of the distance between both ends. In order to obtain a uniform surface pressure, one of the indenters is received by a ball seat so that the angle formed by the pressure surfaces of the upper and lower indenters is variable.
[0020]
When the uniform surface pressure of 2.9 MPa is applied in the thickness direction, the thickness measured at a surface pressure of 13 kPa of the electrode base material having the above thickness is preferably 0.1 to 2.0 mm, 0.2 to 1 .2 mm is more preferable. If it exceeds 2 mm, the electrode substrate becomes bulky, the electrode substrate is directed in the thickness direction, and the strength of the electrode material is weakened. In order to obtain a thickness of less than 0.1 mm, it is necessary to firmly bind the electrode base material with a large amount of polymer substance.
[0021]
The basis weight of the electrode substrate is 10 to 220 g / m.2Is preferred. More preferably 20 to 120 g / m2It is. 10 g / m2If it is less than this, the strength of the electrode substrate is lowered. In addition, when the polymer electrolyte membrane, the catalyst layer, and the electrode base material are integrated or assembled into a battery, the electrode base material becomes thin and the effect of diffusion / permeation in the surface direction becomes insufficient. 220 g / m2If it exceeds the upper limit, the electrode substrate becomes thicker when assembled in a battery, and the resistance increases.
[0022]
The density of the electrode substrate is 0.3 to 0.8 g / cm when a uniform surface pressure of 2.9 MPa is applied in the thickness direction.ThreeIs preferred. More preferred is 0.35 to 0.7 g / cm.ThreeAnd more preferably 0.4 to 0.6 g / cm.ThreeIt is. The density of the electrode base material when a uniform surface pressure of 2.9 MPa is applied in the thickness direction is as follows: the basis weight of the electrode base material and the electrode base material when a uniform surface pressure of 2.9 MPa is applied in the thickness direction Calculated from the thickness of The electrode substrate needs to have a high porosity in order to increase the diffusion and permeability, but the density when a uniform surface pressure of 2.9 MPa is applied in the thickness direction is 0.8 g / cm.ThreeIf it is larger than 1, the porosity is lowered, and the diffusion and permeability become insufficient. 0.3 g / cmThreeIf it is smaller than 1, the resistance value in the thickness direction becomes large.
[0023]
The electrode base material has a pressure loss of 98 Pa (10 mmAq) or less when air of 14 cm / second is transmitted in the thickness direction in a state where no pressure is applied by the surface pressure in the thickness direction. It is preferable in terms of gas diffusivity. More preferable is 29 Pa (3 mmAq) or less, and further preferable is 9.8 Pa (1 mmAq) or less.
[0024]
The tensile strength of the electrode substrate is preferably 0.49 N / 10 mm width or more, more preferably 1.96 N / 10 mm width or more, and still more preferably 4.9 N / 10 mm width or more. If the tensile strength is low, there is a problem that the possibility of the sheet being damaged increases in the high-order processing of the electrode equipment.
[0025]
The electrode substrate may be broken by being pressurized in the thickness direction when the polymer electrolyte membrane, the catalyst layer and the electrode substrate are integrated or used as a battery. In addition, when used as a battery, pressure is applied in the thickness direction while facing the grooved separator, so that a large pressure is applied to the part facing the mountain of the grooved separator, and the part facing the boundary between the mountain and valley Is fragile. When the electrode base material is broken, the broken inorganic conductive material may drop off, the strength of the electrode base material may decrease, the electrical resistance in the surface direction may increase, and the electrode performance may deteriorate.
[0026]
From the above, the electrode base material preferably has a weight reduction rate of 3% or less after applying a uniform surface pressure of 2.9 MPa in the thickness direction for 2 minutes and releasing the surface pressure. This is because the electrode base material having a weight reduction rate higher than 3% is weak after the surface pressure is released, and is easily broken by handling. Thereby, it is hard to break at the time of pressurization, and it can prevent that a fuel cell becomes unusable by destruction of an electrode base material. Preferably it is 2% or less, More preferably, it is 1% or less.
[0027]
The weight loss rate is measured as follows. First, the electrode base material is cut into a circle having a diameter of 46 mm, and the weight is measured. Next, the electrode base material cut between two glassy carbon plates having a smooth surface that is larger than the electrode base material is sandwiched and pressurized to a pressure of 2.9 MPa per area of the electrode base material for 2 minutes. keep. The electrode base material is taken out by removing the pressure, and dropped from a height of 30 mm with its surface direction set to the vertical direction. The weight is measured after 10 drops, and the weight reduction rate is calculated.
[0028]
The measurement of the electrical resistance R of the electrode substrate is as follows. A test electrode plate in which a copper foil having a width of 50 mm, a length of 200 mm, and a thickness of 0.1 mm is attached to one surface of a glassy carbon plate having a flat surface with a width of 50 mm, a length of 200 mm, and a thickness of 1.5 mm. Two pieces are prepared. The two test electrode plates are positioned so that the surfaces of the glassy carbon plates are opposed to each other while maintaining a substantially uniform interval. A current terminal is provided at one end of each of the two test electrode plates, and a voltage terminal is provided at each other end. A sheet cut into a circle with a diameter of 46 mm is inserted into the gap and placed on the center of the two test electrode plates. The test electrode plate is moved so that a pressure of 0.98 MPa acts on the placed sheet. A current of 1 A flows between the two test electrode plates at the current terminal. The voltage V (V) at this time is measured at the voltage terminal. The value of the measured voltage V is used, and the resistance R (mΩ · cm2) Is required.
R = V × 2.3 × 2.3 × π × 1000
Here, π is the circumference ratio.
[0029]
The electrical resistance of the porous conductive sheet is 100 mΩ · cm2Or less, preferably 50 mΩ · cm2More preferably, 15 mΩ · cm2More preferably, it is as follows. As will be described later, the electrical resistance of the electrode substrate containing a water-repellent fluororesin is 150 mΩ · cm.2Or less, preferably 70 mΩ · cm2More preferably, it is 30 mΩ · cm2More preferably, it is as follows.
[0030]
In addition to the above electrode base material, the electrode base material includes a paper-like sheet formed by binding inorganic conductive fibers oriented in a random direction in a substantially two-dimensional plane with a polymer substance. A porous conductive sheet in which the length of the inorganic conductive fiber is at least 3 mm and at least 5 times the thickness of the sheet can also be used. Here, the thickness of the sheet is measured according to JIS P8118. The surface pressure during measurement is 13 kPa. The meaning that the inorganic conductive fibers are substantially oriented in a two-dimensional plane means that the inorganic conductive fibers lie so as to form a single plane. This can prevent a short circuit with the counter electrode due to the inorganic conductive fiber and breakage of the inorganic conductive fiber.
[0031]
In order to increase the strength and handling properties of the electrode substrate and to orient the inorganic conductive fibers in a substantially two-dimensional plane, the length of the inorganic conductive fibers is at least 3 mm, preferably 4.5 mm. More preferably, it is 6 mm or more. If it is less than 3 mm, it becomes difficult to maintain strength and handling properties. Moreover, in order to orient the inorganic conductive fibers in a random direction in a substantially two-dimensional plane, the length of the inorganic conductive fibers is at least 5 times the thickness of the electrode substrate, preferably at least 8 times, Preferably it is 12 times or more. If it is less than 5 times, it is difficult to ensure the orientation in two dimensions. The upper limit of the length of the inorganic conductive fibers is preferably 30 mm or less, more preferably 15 mm or less, and even more preferably 8 mm or less in order to orient in a substantially random direction within a two-dimensional plane. If the inorganic conductive fiber is too long, poor dispersion tends to occur, and many fibers may remain in a bundle. In such a case, the bundle-shaped part has a low porosity, and the thickness at the time of pressurization is increased, so that a high pressure is applied at the time of pressurization. Problems such as thinning easily occur.
[0032]
Moreover, it is preferable that the form of the inorganic conductive fiber is linear so that a short circuit with the counter electrode due to the fiber can be more completely prevented. Here, the linear inorganic conductive fiber means linearity with respect to the length L when the length L (mm) in the length direction of the fiber is taken in a state where the external force for bending the inorganic conductive fiber is removed. The deviation Δ (mm) from the distance is measured, and Δ / L is approximately 0.1 or less. On the other hand, non-linear fibers have a drawback that they tend to be oriented in a three-dimensional direction when oriented in a random direction in a substantially two-dimensional plane.
[0033]
In the preparation of the electrode substrate, as a method of orienting the inorganic conductive fibers in a random direction in a substantially two-dimensional plane, a wet method in which the inorganic conductive fibers are dispersed in a liquid medium and made, There is a dry method in which inorganic conductive fibers are dispersed in the air to be deposited. In order to ensure that the inorganic conductive fibers are oriented substantially in a two-dimensional plane and to increase the strength of the inorganic conductive fibers, a wet method, particularly a so-called papermaking method is preferred.
[0034]
In the electrode base material, in order to prevent breakage of the inorganic conductive material during pressurization and to reduce the weight reduction rate of the electrode base material to 3% or less as described above, the fiber used is carbon cut from carbon fiber. Short fibers are preferred, those that are tensioned during heat treatment are more preferred, and those that are stretched during heat treatment are more preferred.
[0035]
Examples of the carbon fiber include polyacrylonitrile (PAN) -based carbon fiber, phenol-based carbon fiber, pitch-based carbon fiber, and rayon-based carbon fiber. Of these, PAN-based carbon fibers are preferable. PAN-based carbon fibers have greater compressive strength and tensile elongation at break than pitch-based carbon fibers, and are not easily broken. This is considered to be due to the difference in crystallization of carbon constituting the carbon fiber. In order to obtain a carbon fiber that is not easily broken, the heat treatment temperature of the carbon fiber is preferably 2,500 ° C. or less, and more preferably 2,000 ° C. or less.
[0036]
The short carbon fibers used in the electrode substrate of the present invention satisfy the following formula in relation to the diameter D (μm), the tensile strength σ (MPa), and the tensile modulus E (MPa). Is good. This is because such an electrode substrate made of short carbon fibers is not easily broken. That is, the short carbon fiber has a smaller diameter, a higher tensile strength, and a lower tensile elastic modulus, the carbon short fiber is less likely to be broken, and the electrode substrate is less likely to be broken during pressurization.
σ / (E × D) ≧ 0.5 × 10-3
Here, the tensile strength and tensile modulus of carbon fiber are measured according to JIS R7601. In the case of a carbon fiber having a flat cross section, the average value ((a + b) / 2) of the major axis (a) and the minor axis (b) is taken as the diameter. When different types of short carbon fibers are mixed, D, σ, and E are weight averaged values, respectively. Preferably σ / (E × D) ≧ 1.1 × 10-3More preferably, σ / (E × D) ≧ 2.4 × 10-3It is.
[0037]
The tensile elongation at break of the short carbon fibers is preferably 0.7% or more, more preferably 1.2% or more, and further preferably 1.8% or more because of the strength of the electrode substrate. . The tensile elongation at break is a value obtained by dividing the tensile strength (σ) by the tensile modulus (E).
[0038]
Further, since the breakage of the short carbon fiber occurs in various situations, the tensile strength of the short carbon fiber is preferably 500 MPa or more, more preferably 1,000 MPa or more, and 2,000 MPa or more. Is more preferable.
[0039]
The diameter of the inorganic conductive fiber used for the electrode substrate is preferably 20 μm or less. More preferably, it is 12 micrometers or less, More preferably, it is 8 micrometers or less. On the surface of the electrode substrate, voids having a diameter of 5 to 10 times the diameter of the inorganic conductive fiber are observed. This void increases as the fiber diameter increases. The conductive intermediate layer of the present invention suppresses the electrode performance from deteriorating due to the electrode catalyst layer dipping into the gap. If the voids are too large, the conductive intermediate layer needs to be thick, and gas permeability and water discharge properties are hindered. Therefore, it is preferable that the fiber diameter is narrow. In addition, the thinner the inorganic conductive fiber, the less likely it is to break when pressed in the thickness direction. On the other hand, if the diameter of the inorganic conductive fiber is too thin, it is difficult for the catalyst layer to enter the electrode base material at the time of integration. Therefore, the fiber diameter is preferably 2 μm or more. When fibers having different diameters are mixed, the diameter is obtained by weight average.
[0040]
The volume resistivity of the inorganic conductive fiber used for the electrode substrate is preferably 200 μΩ · m or less, more preferably 50 μΩ · m or less, and even more preferably 15 μΩ · m or less in order to reduce the resistance of the electrode substrate. The volume resistivity of the inorganic conductive fiber is measured according to JIS R7601. When the fiber length defined by the measurement prescription is not obtained, the measurement is performed with the obtained fiber length.
[0041]
When carbon fiber is used for the electrode substrate, the atomic ratio of the surface oxygen atoms to carbon atoms (number of oxygen atoms / number of carbon atoms) by X-ray photoelectron spectroscopy is 0.35 or less, preferably 0.20 or less. More preferably, it is 0.10 or less. This is because, when an electrode substrate is obtained by a wet papermaking method, if the atomic ratio of oxygen atoms to carbon atoms is high, it is difficult to disperse the short carbon fibers and the dispersion failure increases. When it exceeds 0.35, it becomes difficult to obtain a uniform electrode substrate. In order to reduce the atomic ratio of oxygen atoms to carbon atoms, there are methods of removing surface oxygen atoms from the surface by applying carbon fiber surface treatment or sizing agent, or by heat treatment in an inert or reducing atmosphere. .
[0042]
The electrode base material is a water repellent treatment to prevent gas diffusion and permeability deterioration due to water retention, a partial water repellent treatment to form a water discharge path, a hydrophilic treatment, and carbon to reduce resistance. It is also a preferred embodiment to add a fine powder.
[0043]
The electrode substrate of the present invention, when using a porous conductive sheet made of conductive inorganic fibers as described above, from the viewpoint of reducing thickness reduction during compression, improving density, reducing electrical resistance, and the like, In particular, it is also a preferred embodiment to include conductive inorganic particles. Such conductive inorganic particles are preferably carbon materials, particularly carbon particles, from the viewpoint of electrical resistance and corrosion resistance.
[0044]
In particular, it is also preferable to use a porous conductive sheet in which conductive inorganic particles having flexibility are arranged in a sheet shape as an electrode substrate. As a result, it is possible to provide an electrode base material that is less likely to drop out of constituent components or is less likely to break even when mechanical force is applied, has a low electrical resistance, and is inexpensive. In particular, the above object can be achieved by using expanded graphite particles as conductive inorganic particles having flexibility.
[0045]
Here, the expanded graphite particles refer to graphite particles obtained by making graphite particles intercalated with sulfuric acid, nitric acid or the like and then expanding them by rapid heating. Usually, the interlayer distance in the crystal structure of the expanded graphite particles is about 50 to 500 times that of the raw graphite particles.
[0046]
The expanded graphite particles themselves are rich in shape deformability. This property is expressed in terms of flexibility. This flexibility is observed by the morphological compatibility of the expanded graphite particles with respect to the expanded graphite particles and other objects adjacent thereto. This morphological compatibility is due to the fact that when expanded graphite particles are subjected to a pressurizing action with at least a part of them overlapping, they are deformed according to the pressurized state and the particles are at least partially joined. Observed. In addition, this morphological compatibility is due to the expanded graphite particles and auxiliary materials used when they are arranged in a sheet form in a state where gas permeability is ensured (for example, flexible materials such as carbon black, which are conventionally used) When conductive inorganic particles having no properties or conventionally used inorganic conductive fibers such as carbon fibers) are pressed together, the expanded graphite particles are deformed along the outer shape of the auxiliary material. And observed by being joined to this auxiliary material.
[0047]
In addition to the conductive fine particles having flexibility, the electrode base material of the present invention is also a preferred embodiment including other conductive particles and conductive fibers, but both the conductive fibers and the conductive particles are By using an inorganic material, an electrode substrate having excellent heat resistance, oxidation resistance, and elution resistance can be obtained. The conductive inorganic particles having no flexibility may include, for example, carbon black powder, graphite powder, metal powder, ceramic powder, etc., but in terms of electronic conductivity and touch resistance, carbon black, graphite, A carbonaceous carbon material is preferred. As such a carbon material, carbon black such as oil furnace black, channel black, lamp black, thermal black, and acetylene black is preferable from the viewpoint of electronic conductivity and a large specific surface area. Oil furnace black includes Vulcan XC-72, Vulcan P, Black Pearls 880, Black Pearls 1100, Black Pearls 1300, Black Pearls 2000, Legal 400, Lion Ketjen Black EC, Mitsubishi Chemical Corporation # 3150. , # 3250, etc., and acetylene black includes Denka Black manufactured by Denki Kagaku Kogyo Co., Ltd. In addition to carbon black, there are artificial graphite and carbon obtained from organic compounds such as natural graphite, pitch, coke, polyacrylonitrile, phenol resin and furan resin. It is also possible to use carbon materials obtained by post-processing these carbon materials. Among these carbon materials, in particular, Vulcan XC-72 manufactured by Cabot, Denka Black manufactured by Denki Kagaku Kogyo, Ketjen Black manufactured by Lion, and the like are preferably used from the viewpoint of electronic conductivity.
[0048]
The amount of conductive particles added to the electrode substrate should be appropriately determined according to the required electrode characteristics, the specific surface area of the substance used, the electronic resistance, etc., but the weight ratio in the electrode substrate. 1 to 80% is preferable, and 20 to 60% is more preferable. When the amount of the electron conductor is small, the electronic resistance is lowered, and when the amount is large, the gas permeability is hindered.
[0049]
The electrode substrate of the present invention can be added with a polymer substance in addition to the above conductive particles. Thereby, it becomes strong to a compression and tension | tensile_strength, strength and handling property can be improved, and it can prevent that an inorganic electroconductive substance remove | deviates from an electrode base material, or faces the thickness direction of an electrode base material. In particular, when making an electrode substrate made of a porous conductive sheet by making paper with inorganic conductive short fibers, it is essential to use a polymer substance as a binder. As a method of binding the polymer substance, a fibrous, granular, or liquid polymer substance is mixed when the inorganic conductive substance is oriented in a random direction in a substantially two-dimensional plane, and an inorganic substance is mixed. There is a method of attaching a fibrous or liquid polymer substance to an aggregate in which a conductive substance is oriented in a substantially random direction within a two-dimensional plane. The liquid concept includes emulsions, dispersions, latexes, and the like that can be handled substantially as a liquid by dispersing fine particles of a polymer substance in the liquid. In order to strengthen the binding of the inorganic conductive material or reduce the electric resistance of the electrode base material, the polymer material binding the inorganic conductive material is fibrous, emulsion, dispersion, or latex. Is preferred. In the case of a fibrous polymer substance, it is preferable to use a filament yarn in order to reduce the content rate.
[0050]
The polymer substance that binds the inorganic conductive substance is preferably a polymer substance having carbon or silicon in the main chain, such as polyvinyl alcohol (PVA), polyvinyl acetate (vinyl acetate), polyethylene terephthalate (PET), Thermoplastic resins such as polypropylene (PP), polyethylene, polystyrene, polyvinyl chloride, polyvinylidene chloride, acrylic resin, polyurethane, phenol resin, epoxy resin, melamine resin, urea resin, alkyd resin, unsaturated polyester resin, acrylic resin In addition to thermosetting resins such as polyurethane resins, thermoplastic elastomers, elastomers such as butadiene / styrene copolymer (SBR), butadiene / acrylonitrile copolymer (NBR), rubber, cellulose, pulp, and the like can be used. . A water repellent resin such as a fluororesin may be used, and the electrode substrate may be subjected to a water repellent treatment simultaneously with the binding of the inorganic conductive material.
[0051]
In order to make the electrode substrate difficult to break when pressed, the polymer material that binds the inorganic conductive material should be soft, and when the polymer material is used in a fibrous or granular form, It is preferable to use a soft polymer material such as a thermoplastic resin, elastomer, rubber, cellulose, or pulp because the electrode substrate is less likely to break when pressed. When the polymer substance is used in a liquid form, the polymer substance is preferably a thermoplastic resin, elastomer, rubber, or a thermosetting resin modified with a soft material such as thermoplastic resin, elastomer, rubber, The thermoplastic resin, elastomer, and rubber are more preferable because the electrode substrate is less likely to break when pressed.
[0052]
The high molecular weight material preferably has a compressive elastic modulus at 23 ° C. of 4,000 MPa or less, more preferably 2,000 MPa or less, and even more preferably 1,000 MPa or less. This is because a polymer material having a low compressive elastic modulus relaxes the stress applied to the binding portion and makes it difficult to release the binding, and also reduces the stress applied to the inorganic conductive material to make it difficult to break.
[0053]
In a polymer electrolyte fuel cell, water as an electrode reaction product or water that has permeated an electrolyte is generated at a cathode (air electrode, oxygen electrode). In the anode (fuel electrode), the fuel is humidified and supplied to prevent the polymer electrolyte membrane from drying. Since the condensation and stagnation of water and swelling of the polymer material by water hinder the supply of the electrode reactant, the water absorption rate of the polymer material should be low. Preferably it is 20% or less, More preferably, it is 7% or less.
[0054]
From such a point, it is also a preferred embodiment that the electrode base material contains a water-repellent polymer. Polymers (fluorine resins) containing fluorine atoms such as polytetrafluoroethylene (PTFE), tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer (FEP), tetrafluoroethylene-perfluoroalkyl vinyl ether copolymer (PFA), etc. Since it has high water repellency, it is preferably used. When the electrode substrate is used as a current collector (supply) for a fuel cell, water repellent treatment is essential, and the water repellent polymer is bonded between the conductive inorganic substances constituting the electrode substrate. It also has an effect. This is useful in terms of the strength and electrical resistance of the electrode substrate. PTFE, FEP, and PFA have high water repellency and oxidation resistance required for a fuel cell current collector, and PTFE and PFA are more preferable because they provide an effect of low electrical resistance.
[0055]
The content of the polymer substance as described above with respect to the electrode substrate is preferably in the range of 0.1 to 50% by weight. In order to reduce the electric resistance of the electrode substrate, it is better that the content of the polymer substance is small. However, if it is less than 0.1% by weight, the strength to withstand handling is insufficient, and the inorganic conductive substance drops off. On the contrary, when it exceeds 40 weight%, the problem that the electrical resistance of an electrode base material will increase will arise. More preferably, it is in the range of 10 to 30% by weight.
[0056]
It is also a preferred embodiment that the polymer substance added to the electrode substrate is baked at 200 ° C. or higher. The above-mentioned fluororesin used for the water repellent treatment is improved in water repellency and binding properties by heating to the melting point or higher. In addition, in a polymer material other than the fluororesin, not only the binding force is improved by firing, but also the electrical resistance is reduced and the corrosion resistance is improved. In particular, polymer substances other than fluororesins may have poor oxidation resistance, and when used as electrodes for electrochemical devices such as fuel cells, electrode performance may be reduced during use. For this reason, it is preferable to use a polymer substance as a binder at the time of electrode preparation and to fire it before using it as an electrode.
[0057]
The electrode catalyst layer in the electrode of the present invention is not particularly limited, and a known one can be used. The electrode catalyst layer includes a catalyst and an electrode active material necessary for the electrode reaction, and more preferably includes a substance contributing to electron conduction and ion conduction that promotes the electrode reaction. If the electrode active material (oxidizing or reducing substance) is a gas, it must have a structure that allows the gas to easily permeate, and a structure that promotes the discharge of the product accompanying the electrode reaction is required. is there. When the electrode of the present invention is used in a fuel cell, the electrode active material is hydrogen or oxygen, the catalyst is a noble metal particle such as platinum, the electron conductor is carbon black, the ion conductor is a proton exchange resin, and the reaction product is water. is there. The electrode catalyst layer is required to have a structure in which the catalyst, the electron conductor, and the ionic conductor are in contact with each other so that the active material and the reaction product efficiently enter and exit.
[0058]
When the electrode of the present invention is used in a fuel cell, the catalyst contained in the electrode catalyst layer may be a known catalyst, and is not particularly limited, but is not limited to platinum, palladium, gold, ruthenium, iridium, etc. A noble metal catalyst is preferably used. Two or more elements such as alloys and mixtures of these noble metal catalysts may be contained.
[0059]
The electron conductor (conductive material) contained in the electrode catalyst layer is not particularly limited, but an inorganic conductive material is preferably used from the viewpoint of electron conductivity and corrosion resistance. Among these, carbon black, graphite or carbonaceous carbon material, metal or metalloid can be mentioned. As such a carbon material, carbon black such as oil furnace black, channel black, lamp black, thermal black, and acetylene black is preferable from the viewpoint of electronic conductivity and a large specific surface area. Oil furnace black includes Vulcan XC-72, Vulcan P, Black Pearls 880, Black Pearls 1100, Black Pearls 1300, Black Pearls 2000, Legal 400, Lion Ketjen Black EC, Mitsubishi Chemical Corporation # 3150. , # 3250, etc., and acetylene black includes Denka Black manufactured by Denki Kagaku Kogyo Co., Ltd. In addition to carbon black, there are artificial graphite and carbon obtained from organic compounds such as natural graphite, pitch, coke, polyacrylonitrile, phenol resin and furan resin. As the form of these carbon materials, not only particles but also fibers can be used. It is also possible to use carbon materials obtained by post-processing these carbon materials. Among these carbon materials, in particular, Vulcan XC-72 manufactured by Cabot is preferably used from the viewpoint of electronic conductivity.
[0060]
The amount of these electron conductors to be added should be appropriately determined according to required electrode characteristics, specific surface area of the substance used, electronic resistance, etc., but is 1 to 80% as a weight ratio in the electrode catalyst layer. Is preferable, and 20 to 60% is more preferable. When the amount of the electron conductor is small, the electronic resistance is low, and when the amount is large, the gas performance is hindered or the catalyst utilization rate is lowered.
[0061]
It is preferable in terms of electrode performance that the electron conductor is uniformly dispersed with the catalyst particles. For this reason, a method in which the catalyst particles and the electron conductor are well dispersed in advance as a coating liquid and this coating liquid is applied onto a porous conductive sheet provided with a conductive intermediate layer is preferably used.
[0062]
When the electrode catalyst layer is used in a fuel cell, it is also a preferred embodiment to use a catalyst-supporting carbon in which a catalyst and an electron conductor are integrated. By using this catalyst-supporting carbon, the utilization efficiency of the catalyst is improved, which contributes to cost reduction. Even when catalyst-supported carbon is used for the electrode catalyst layer, a conductive agent can be further added. As such a conductive agent, the above-described carbon black is preferably used.
[0063]
A well-known thing can be used as an ion conductor used for an electrode catalyst layer, without being specifically limited. Various organic and inorganic materials are known as ion conductors, but when used in fuel cells, they have ion exchange groups such as sulfonic acid groups, carboxylic acid groups, and phosphoric acid groups that improve proton conductivity. A polymer is preferably used. Among these, a polymer having a proton exchange group composed of a fluoroalkyl ether side chain and a fluoroalkyl main chain is preferably used. For example, Nafion manufactured by DuPont, Aciplex manufactured by Asahi Kasei, and Flemion manufactured by Asahi Glass are preferable. These ion exchange polymers can be provided in the electrode catalyst layer in the state of a solution or a dispersion. At this time, the solvent for dissolving or dispersing the proton exchange resin is not particularly limited, but a polar solvent is preferable from the viewpoint of solubility of the proton exchange resin. It may be a polymer containing the above-described fluorine atom having a proton exchange group, another polymer such as ethylene or styrene, a copolymer or a blend thereof.
[0064]
From the viewpoint of electrode performance, it is preferable that the ion conductor is added in advance to a coating liquid mainly composed of electrode catalyst particles and an electron conductor when forming the electrode catalyst layer, and is applied in a uniformly dispersed state. However, the ionic conductor may be applied after the electrode catalyst layer is applied. The method for applying the ionic conductor to the electrode catalyst layer is not particularly limited, such as spray coating, brush coating, dip coating, die coating, curtain coating, and flow coating.
[0065]
The amount of the ionic conductor contained in the electrode catalyst layer should be appropriately determined according to the required electrode characteristics and the conductivity of the ionic conductor used, and is not particularly limited. The ratio is preferably 1 to 80%, and more preferably 5 to 50%. When the ionic conductor is small, the ionic conductivity is low, and when the ionic conductor is large, the gas permeability is hindered.
[0066]
The electrode catalyst layer may contain various substances in addition to the catalyst, the electronic conductor, and the ionic conductor. In particular, in order to enhance the binding property of the substance contained in the electrode catalyst layer, it is also a preferred embodiment to contain a polymer other than the above-described proton exchange resin. Examples of such a polymer include a polymer containing a fluorine atom and are not particularly limited. For example, polyvinyl fluoride (PVF), polyvinylidene fluoride (PVDF), polyhexafluoropropylene (FEP), Polytetrafluoroethylene, polyperfluoroalkyl vinyl ether (PFA), etc., or copolymers thereof, copolymers of these monomer units with other monomers such as ethylene and styrene, and blends can also be used. . The content of these polymers in the catalyst layer is preferably 5 to 40% by weight. If the polymer content is too high, the electron and ionic resistance increases and the electrode performance decreases.
[0067]
In the electrode catalyst layer, it is also preferable that the catalyst-polymer composite has a three-dimensional network microporous structure. The catalyst-polymer composite is a polymer composite containing catalyst particles, and is characterized by a three-dimensional network microporous structure. The “three-dimensional network microporous structure” refers to a state in which a catalyst-polymer complex has a three-dimensional network structure that is three-dimensionally connected.
[0068]
When the electrode catalyst layer has a three-dimensional network microporous structure, the microporous diameter is preferably 0.05 to 5 μm. More preferably, it is 0.1-1 micrometer. The microporous diameter can be determined from an average of 20 or more, preferably 100 or more from a photograph of the surface taken with a scanning electron microscope (SEM) or the like, and can usually be measured with 100. The catalyst layer having a microporous structure of the present invention when manufactured by a wet coagulation method has a wide distribution of microporous diameters, and therefore it is preferable to average as many pore diameters as possible.
[0069]
The porosity of the three-dimensional network microporous structure is preferably 10 to 95%. More preferably, it is 50 to 90%. The porosity is a percentage (%) obtained by dividing the total volume of the catalyst layer by the volume of the catalyst-polymer complex divided by the total volume of the catalyst layer. The catalyst layer is wet-coagulated after being applied to the electrode substrate, proton exchange membrane, and other substrates. If it is difficult to obtain the porosity of the catalyst layer alone, the electrode substrate, proton It is also possible to obtain the porosity of the catalyst layer alone after obtaining the porosity of the exchange membrane and other base materials in advance and obtaining the porosity including these base materials and the catalyst layer. .
[0070]
Electrocatalyst layers, especially those with a three-dimensional network microporous structure obtained by the wet coagulation method, have high porosity, good gas diffusivity and good water discharge, and electronic conductivity and proton conductivity. Is also good. In conventional porosification, the catalyst particle size and the particle size of the added polymer are increased, or pores are formed using a pore-forming agent. In addition, the contact resistance between the proton exchange resins is larger than that of the electrode catalyst layer. On the other hand, in the three-dimensional network microporous structure by the wet coagulation method, the polymer composite containing the catalyst-supporting carbon has a three-dimensional network shape, so that electrons and protons can easily conduct through this polymer composite, Furthermore, because of the microporous structure, gas diffusibility and discharge of generated water are also good.
[0071]
Even when the electrode catalyst layer has a three-dimensional microporous structure, the same materials as those used in the past can be used for the catalyst, the electron conductor, and the ion conductor. However, it is preferable to use a wet coagulation method when preparing an electrode catalyst layer having a three-dimensional network microporous structure. Therefore, in the above case, it is preferable to use a polymer suitable for this wet coagulation method, and it is preferable to use a polymer in which the catalyst particles are well dispersed and does not deteriorate in the oxidation-reduction atmosphere in the fuel cell. Examples of such a polymer include a polymer containing a fluorine atom and are not particularly limited. For example, polyvinyl fluoride (PVF), polyvinylidene fluoride (PVDF), polyhexafluoropropylene (FEP), Polyperfluoroalkyl vinyl ether (PFA) or the like, copolymers thereof, copolymers of these monomer units with other monomers such as ethylene and styrene (for example, hexafluoropropylene-vinylidene fluoride copolymer), and Blends can also be used.
[0072]
Among these, polyvinylidene fluoride (PVDF) and hexafluoropropylene-vinylidene fluoride copolymer are three-dimensional network microporous by a wet coagulation method using an aprotic polar solvent and a protic polar solvent as a coagulation solvent. This is a particularly preferred polymer in that a catalyst-polymer complex having a crystalline structure is obtained. Examples of the solvent for these polymers include N-methylpyrrolidone (NMP), dimethylformamide (DMF), dimethylacetamide (DMAC), propylene carbonate (PC), dimethylimidazolidinone (DMI), and the like. In addition to lower alcohols such as methanol, ethanol and isopropanol, esters such as ethyl acetate and butyl acetate, and various organic solvents such as aromatic and halogen compounds are used.
[0073]
As the polymer of the catalyst-polymer complex, in addition to the above-mentioned polymer, a polymer having a proton exchange group is also preferable in order to improve proton conductivity. Proton exchange groups contained in such polymers include sulfonic acid groups, carboxylic acid groups, and phosphoric acid groups, but are not particularly limited. A polymer having such a proton exchange group is also selected without particular limitation, but a polymer having a proton exchange group composed of a fluoroalkyl ether side chain and a fluoroalkyl main chain is preferably used. For example, Nafion manufactured by DuPont is also preferable. Moreover, the polymer which contains the above-mentioned fluorine atom which has a proton exchange group, other polymers, such as ethylene and styrene, these copolymers, and a blend may be sufficient.
[0074]
The Nafion polymer solution may be obtained by dissolving a commercially available Nafion membrane in an aprotic polar solvent, a Nafion solution of water-methanol-isopropanol mixed solvent manufactured by Aldrich, or a solution obtained by replacing this Nafion solution with a solvent. good. In this case, the coagulation solvent at the time of wet coagulation should be appropriately determined depending on the solvent of the Nafion solution, but when the solvent of the Nafion solution is an aprotic polar solvent, the coagulation solvent is water or alcohols. In addition to esters, various organic solvents are preferable, and in the case of a water-methanol-isopropanol mixed solvent, esters such as butyl acetate and various organic solvents are preferably used.
[0075]
As the polymer used in the catalyst-polymer composite, it is also preferable to use a polymer containing or blended with the above-described polymer containing a fluorine atom or a polymer containing a proton exchange group. In particular, blending a polyvinylidene fluoride, poly (hexafluoropropylene-vinylidene fluoride) copolymer, etc. with a polymer such as Nafion having a fluoroalkyl ether side chain and a fluoroalkyl main chain in the proton exchange group is effective in electrode performance. From the point of view, it is preferable.
[0076]
The main components of the catalyst-polymer composite are catalyst-supported carbon and polymer, and the ratio thereof should be appropriately determined according to the required electrode characteristics and is not particularly limited. The weight ratio of 5/95 to 95/5 is preferably used. In particular, when used as an electrode catalyst layer for a polymer electrolyte fuel cell, the catalyst-supported carbon / polymer weight ratio is preferably 40/60 to 85/15.
[0077]
It is also a preferred embodiment to add various additives to the catalyst-polymer complex. For example, there is a conductive agent such as carbon for improving the electronic conductivity, a polymer for improving the binding property, an additive for controlling the pore size of the three-dimensional network microporous structure, but there is no particular limitation. Can be used. The addition amount of these additives is preferably 0.1 to 50%, more preferably 1 to 20% as a weight ratio with respect to the catalyst-polymer composite.
[0078]
The method for producing a catalyst-polymer composite having a three-dimensional network microporous structure is preferably a wet coagulation method. In this wet coagulation method, after the catalyst-polymer solution composition is applied, the coating layer is brought into contact with a coagulation solvent for the polymer, and coagulation precipitation and solvent extraction of the catalyst-polymer solution composition are performed simultaneously.
[0079]
In this catalyst-polymer solution composition, catalyst-supported carbon is uniformly dispersed in the polymer solution. The aforementioned catalyst-supporting carbon and polymer are preferably used. The solvent for dissolving the polymer should be appropriately determined according to the polymer used, and is not particularly limited. It is important that the polymer solution is well dispersed with the catalyst-supporting carbon. When the dispersion state is poor, the catalyst-supporting carbon and the polymer cannot form a composite during wet coagulation, which is not preferable.
[0080]
As for the coating method, a coating method according to the viscosity and solid content of the catalyst-polymer solution composition is selected and should not be particularly limited. However, a knife coater, a bar coater, a spray, a dip coater, a spin coater, A general coating method such as a roll coater, a die coater, or a curtain coater is used.
[0081]
On the other hand, the coagulation solvent for wet coagulating the polymer is not particularly limited, but a solvent that easily coagulates and precipitates the polymer to be used and is compatible with the solvent of the polymer solution is preferable. The contact method with the coagulation solvent in which wet coagulation is actually performed is not particularly limited, but the coagulation solvent is immersed in the coagulation solvent with the base material, only the coating layer is brought into contact with the liquid surface of the coagulation solvent. There is no particular limitation such as showering or spraying on the coating layer.
[0082]
The substrate on which the catalyst-polymer solution composition is applied can be applied to either the electrode substrate or the solid electrolyte, and then wet coagulation can be performed. By performing the solidification, it is possible to suppress the penetration of the catalyst layer into the electrode substrate, which is a preferred embodiment of the present invention. In addition, after applying to a substrate (transfer substrate) other than the electrode substrate or solid electrolyte, and then performing wet coagulation to create a three-dimensional network microporous structure, this catalyst layer is applied to the electrode substrate or solid electrolyte. It may be transferred or clamped. As the transfer substrate in this case, a polytetrafluoroethylene (PTFE) sheet, or a glass plate or a metal plate whose surface is treated with a fluorine or silicone release agent is also used.
[0083]
The electrode of the present invention is intended to reduce a wasteful catalyst that is not effectively used by reducing the thickness of the mixed layer in which the electrode catalyst layer is immersed in the electrode base material to a thickness of 20 μm or less. The manufacturing method is not particularly limited. When a porous conductive sheet is used for the electrode base material, the electrode catalyst layer coating solution is likely to penetrate into the electrode base material, and thus a device that does not penetrate is necessary to obtain the electrode of the present invention. For example, there are methods such as increasing the viscosity of the electrode catalyst layer coating liquid and increasing the difference in surface energy between the electrode base material and the polymer material contained therein and the electrode catalyst layer coating liquid.
[0084]
When the viscosity of the electrode catalyst layer coating liquid is increased, penetration into the porous conductive sheet is suppressed. To increase the viscosity, increase the solid content ratio of the catalyst layer coating solution other than the solvent, increase the molecular weight of the polymer substance contained in the catalyst layer coating solution, and add various thickeners to the catalyst layer coating solution. There are methods. Examples of thickeners include polyhydric alcohols such as glycerin, higher alcohols such as octanol, celluloses such as carboxymethylcellulose and hydroxypropylcellulose, polymer compounds such as polyvinyl alcohol and polyvinylpyrrolidone, acetylene black, ketjen Carbon blacks such as black are preferable, but are not particularly limited.
[0085]
When utilizing the surface energy difference between the electrode substrate and the polymer contained therein and the electrode catalyst layer coating solution, the static contact angle between the electrode substrate and the electrode catalyst layer coating solution is 50 ° or more (more preferably 70 ° or more). It is possible to suppress penetration. When the electrode base material is used in a fuel cell, it contains a fluororesin for water repellent treatment and has a low surface free energy. For this reason, by using the electrode catalyst layer coating liquid containing a solvent having a large surface free energy, the static contact angle is increased and the penetration is suppressed. The electrode catalyst layer contains a proton exchange resin as an ionic conductor. For this reason, the catalyst layer coating liquid containing the ion exchange resin contains water, and in such a case, the penetration is suppressed by increasing the static contact angle. When the electrode base material contains a fluororesin, use of N-methylpyrrolidone in addition to water as a solvent for the electrode catalyst layer coating liquid increases the static contact angle and suppresses penetration. The measurement of the static contact angle may be a general measurement method in which a drop of the catalyst layer coating solution is dropped on a substrate with a microsyringe and measured with a microscope from the side.
[0086]
It is also a preferred embodiment that the electrode of the present invention is made into a membrane-electrode assembly (MEA) by combining with a solid electrolyte layer.
[0087]
The solid electrolyte constituting the solid electrolyte layer is not particularly limited as long as it is a solid electrolyte used in a normal fuel cell, but a proton exchange membrane is preferable in order to express the fuel cell performance of the present invention. Used. The proton exchange group of the proton exchange membrane is not particularly limited, such as a sulfonic acid group, a carboxylic acid group, and a phosphoric acid group.
[0088]
This proton exchange membrane includes a hydrocarbon system such as a styrene-divinylbenzene copolymer having the above proton exchange group, particularly a sulfonic acid group, a fluorine atom-containing polymer, particularly a fluoroalkyl ether side chain and a fluoroalkyl main chain. It is roughly classified into perfluoro-based copolymers composed of the following, and should be appropriately selected according to the application and environment in which the fuel cell is used. From the point of view, it is preferable. A partial fluorine film partially substituted with fluorine atoms is also preferably used. Examples of perfluoro membranes include DuPont's Nafion, Asahi Kasei Aciplex, Asahi Glass Flemion, and Japan Gore-Tex's Goa-select. Some have acid groups introduced. In addition, proton exchange membranes are reinforced with not only one type of polymer, but also a copolymer or blend polymer of two or more types of polymers, a composite membrane in which two or more types of membranes are bonded together, and a proton exchange membrane with a nonwoven fabric or a porous film. The film | membrane etc. which were made can also be used.
[0089]
It does not specifically limit as a manufacturing method of a membrane-electrode composite_body | complex. In general, an electrode catalyst layer is provided on an electrode substrate to create an electrode, and this electrode is bonded to a solid electrolyte such as a proton exchange membrane. The bonding conditions also depend on the characteristics of the electrode catalyst layer or the electrochemical device. It should be decided appropriately according to the situation.
[0090]
In making use of the characteristics of the electrode of the present invention, two electrodes composed of an electrode base material and an electrode catalyst layer are prepared in advance, and a proton exchange membrane is formed between these two electrodes. A MEA manufacturing method is preferred in which the side is disposed so as to face the proton exchange membrane, and the proton exchange membrane is sandwiched and joined by the two electrodes. This joining is a heating press, but this condition is not particularly limited. Generally, the press temperature is 20 ° C. to 200 ° C., and the press pressure is 1 MPa to 20 MPa.
[0091]
As other membrane-electrode composite production methods, a step of providing the electrode catalyst layer on both front and back surfaces of the proton exchange membrane (step A), and a step of providing an electrode substrate on both outer sides of the electrode catalyst layer (step B) It is also a preferable manufacturing method to carry out in this order. Since this method does not apply the catalyst layer to the electrode base material, it is a method that makes it possible to create an MEA comprising the electrode of the present invention in terms of suppressing the permeation of the catalyst layer into the base material.
[0092]
In particular, an MEA production method in which an electrode catalyst layer coating solution is applied onto a proton exchange membrane and an electrode base material is provided thereafter is also preferable. In this case, since the proton exchange membrane to which the catalyst coating liquid is applied is likely to swell with water or an organic solvent, it is necessary to select a solvent that does not easily swell the proton exchange membrane as the solvent used in the catalyst layer coating liquid. However, the catalyst layer coating liquid contains a proton exchange resin, and a solvent that dissolves the proton exchange resin swells or dissolves the proton exchange membrane. For this reason, in the catalyst layer coating liquid, it is preferable to use a solvent that is dispersed in the form of an emulsion or the like without dissolving the contained proton exchange resin. For example, the proton exchange resin solution is removed, dried and pulverized, and the resulting proton exchange resin powder and catalyst-supported carbon are mixed and dispersed in a solvent that does not swell the proton exchange membrane, or the proton exchange resin solution Examples of the method include, but are not limited to, a method of removing the dispersion with the catalyst-supported carbon, drying and pulverizing, and redispersing the obtained powder in a proton exchange resin and a solvent that does not swell.
[0093]
Furthermore, in the above step A, it is also preferred that the electrode catalyst coating liquid is applied on a transfer substrate other than the electrode substrate or the proton exchange membrane to form an electrode catalyst layer, and this is transferred onto the proton exchange membrane. It is a manufacturing method. As the transfer substrate at this time, it is possible to use a transfer substrate such as a sheet or a film made of various resins or fluororesins such as PTFE, PFA, FEP, a glass plate, and the like. In particular, it is possible to transfer an electrocatalyst layer onto a proton exchange membrane by applying an electrode catalyst layer to a sheet or film and roll pressing it with the proton exchange membrane.
[0094]
In the step B, it is also a preferable MEA production method to provide the electrode base material by applying a substance constituting the electrode base material to the proton exchange membrane. The MEA is produced by spraying the inorganic conductive fibers and particles constituting the electrode base material in a liquid or solid state onto a proton exchange membrane provided with an electrode catalyst layer. In particular, in the case where the inorganic conductive material constituting the electrode substrate is a short carbon fiber, a dispersion containing this and a fluorine atom-containing polymer is prepared in advance, and this dispersion is placed on the proton exchange membrane provided with the electrode catalyst layer. It is also preferable to apply the coating by spraying.
[0095]
The electrode comprising the electrode substrate and the electrode catalyst layer of the present invention, or the membrane-electrode assembly (MEA) comprising the electrode and a solid electrolyte membrane can be applied to various electrochemical devices. Of these, a fuel cell and a water electrolysis layer are preferable, and among the fuel cells, a polymer electrolyte fuel cell is preferable. Fuel cells include those using hydrogen as fuel and those using hydrocarbons such as methanol as fuel, but can be used without any particular limitation.
[0096]
Further, the use of the fuel cell using the electrode catalyst layer of the present invention is not particularly limited, but a mobile power supply source that is useful in a polymer electrolyte fuel cell is preferable. is there. In particular, automobiles such as passenger cars, buses, and trucks, ships, railways, and the like are also preferable moving bodies.
[0097]
【Example】
Hereinafter, the details of the present invention will be further described using examples.
[0098]
Example 1
(1) Creation of electrode substrate
Carbon paper (TGP-H-060 manufactured by Toray Industries, Inc.) was used as the porous conductive sheet, and this was used as a PTFE dispersion (manufactured by Daikin Industries: Polyflon TFE D-1, dispersion average particle size 0.2-0.4 μm, 60 weight). %, Aqueous solution), dried, and fired at 370 ° C. The amount of PTFE applied was 20% by weight.
[0099]
(2) Preparation of catalyst layer coating solution
A commercially available Aldrich Nafion solution (5 wt%) was concentrated to 15 wt%. To 10 g of this concentrated Nafion solution, 3 g of catalyst-supported carbon (catalyst; Pt, carbon; Vulcan XC-72 manufactured by Cabot, platinum-supported amount: 50 wt%) was added and stirred well to prepare a catalyst layer coating solution composed of a catalyst-polymer composition. Prepared.
[0100]
(3) Application of electrode catalyst layer coating solution and creation of electrode by drying
On the porous conductive sheet prepared in the above (1), the catalyst layer coating solution prepared in the above (2) was applied and dried to prepare an electrode composed of an electrode substrate and an electrode catalyst layer. The obtained electrode has a platinum content of 0.5 mg / cm.2, Nafion amount 0.3mg / cm2Met.
[0101]
A cross-sectional SEM photograph of this electrode is shown in FIG. 1 (1), and platinum distribution by X-ray microanalysis is shown in FIG. 1 (3). The thickness of the mixed layer in which the electrode catalyst layer soaked into the electrode substrate was 10 μm, and the pure catalyst layer not including the mixed layer was 15 μm.
[0102]
Comparative Example 1
(1) Creation of electrode substrate
Similarly to Example 1, carbon paper (TGP-H-060 manufactured by Toray Industries, Inc.) was used as a porous conductive sheet, impregnated with PTFE dispersion (manufactured by Daikin Industries: Polyflon PTFE dispersion), dried, and 370 ° C. Baked in. The amount of PTFE applied was 20% by weight.
[0103]
(2) Preparation of catalyst layer coating solution
Using a commercially available Alfrich Nafion solution (5 wt%) as it is, added catalyst-supported carbon (catalyst; Pt, carbon; Cabot Vulcan XC-72, platinum-supported amount: 50 wt%), and stirred well to prepare a catalyst. A catalyst layer coating solution comprising a polymer composition was prepared.
[0104]
(3) Application of electrode catalyst layer coating solution and creation of electrode by drying
On the porous conductive sheet prepared in the above (1), the catalyst layer coating solution prepared in the above (2) was applied and dried to prepare an electrode composed of an electrode substrate and an electrode catalyst layer. The obtained electrode has a platinum content of 0.5 mg / cm.2, Nafion amount 0.3mg / cm2Met.
[0105]
From the cross-sectional SEM photograph of this electrode, the thickness of the mixed layer in which the electrode catalyst layer soaked into the electrode substrate was 40 μm.
[0106]
Example 2
(1) Creation of electrode substrate
Carbon paper (TGP-H-060 manufactured by Toray Industries, Inc.) was used as the porous conductive sheet, impregnated in a PFA dispersion (manufactured by Daikin Industries: NEOFLON PFA AD-2CR), dried, and fired at 320 ° C. The amount of PFA applied was 20% by weight.
[0107]
(2) Preparation of catalyst layer coating solution
0.1% by weight of carboxymethylcellulose was added as a thickener to a commercially available Nafion solution (5% by weight) manufactured by Aldrich. To this, catalyst-supported carbon (catalyst; Pt, carbon; Vulcan XC-72 manufactured by Cabot, platinum-supported amount: 50 wt%) was added, and stirred well to prepare a catalyst layer coating solution comprising a catalyst-polymer composition.
[0108]
(3) Application of electrode catalyst layer coating solution and creation of electrode by drying
On the porous conductive sheet prepared in the above (1), the catalyst layer coating solution prepared in the above (2) was applied and dried to prepare an electrode composed of an electrode substrate and an electrode catalyst layer. The obtained electrode has a platinum content of 0.5 mg / cm.2, Nafion amount 0.3mg / cm2Met.
[0109]
From the cross-sectional SEM photograph of this electrode, the thickness of the mixed layer in which the electrode catalyst layer soaked into the electrode substrate was 10 μm.
[0110]
Example 3
(1) Creation of electrode substrate
Similarly to Example 2, carbon paper (TGP-H-060 manufactured by Toray Industries, Inc.) was used as the porous conductive sheet, impregnated in a PFA dispersion (manufactured by Daikin Industries: NEOFLON PFA dispersion), dried, and 320 ° C. Baked in. The amount of PFA applied was 20% by weight.
[0111]
(2) Preparation of catalyst layer coating solution
N-methylpyrrolidone was added while concentrating a commercially available Aldrich Nafion solution (5% by weight) to perform solvent replacement. The resulting Nafion solution was 10% by weight. To this was added catalyst-carrying carbon (catalyst; Pt, carbon; Vulcan XC-72 manufactured by Cabot, platinum-carrying amount; 50 wt%), and the mixture was well stirred to prepare a catalyst layer coating solution comprising a catalyst-polymer composition.
[0112]
(3) Preparation of an electrode catalyst layer by applying and drying a catalyst-polymer composition
On the porous conductive sheet prepared in the above (1), the catalyst layer coating solution prepared in the above (2) was applied and dried to prepare an electrode composed of an electrode substrate and an electrode catalyst layer. The obtained electrode has a platinum content of 0.5 mg / cm.2, Nafion amount 0.3mg / cm2Met.
[0113]
The static contact angle when a drop of the catalyst layer coating solution was allowed to stand on this electrode substrate was 90 °.
[0114]
From the cross-sectional SEM photograph of this electrode, the thickness of the mixed layer in which the electrode catalyst layer soaked into the electrode substrate was 15 μm.
[0115]
Example 4
(1) Creation of electrode substrate
Similarly to Example 1, carbon paper (TGP-H-060 manufactured by Toray Industries, Inc.) was used as a porous conductive sheet, impregnated with PTFE dispersion (manufactured by Daikin Industries: Polyflon PTFE dispersion), dried, and 370 ° C. Baked in. The amount of PTFE applied was 20% by weight.
[0116]
(2) Preparation of catalyst layer coating solution
A commercially available Aldrich Nafion solution (5 wt%) was concentrated to 10 wt%. To this was added catalyst-carrying carbon (catalyst; Pt, carbon; Vulcan XC-72 manufactured by Cabot, platinum-carrying amount; 50 wt%), and the mixture was well stirred to prepare a catalyst layer coating solution comprising a catalyst-polymer composition.
[0117]
(3) Preparation of microporous electrode by applying electrode catalyst layer, wet coagulation, and drying
After applying the catalyst layer coating solution prepared in (2) above on the porous conductive sheet prepared in (1), the electrode substrate and the microporous electrode catalyst layer are immediately immersed in butyl acetate and dried. An electrode composed of The obtained electrode has a platinum content of 0.5 mg / cm.2, Nafion amount 0.3mg / cm2Met.
[0118]
From the cross-sectional SEM photograph of this electrode, the thickness of the mixed layer in which the electrode catalyst layer soaked into the electrode substrate was 10 μm.
[0119]
Example 5
(1) Creation of porous conductive sheet
Short fibers of PAN-based carbon fibers cut to a length of 12 mm and expanded graphite powder (manufactured by Toyo Tanso Co., Ltd., bulk density 0.14 g / cmThree, Average particle diameter of 100 to 200 μm) was mixed at a weight ratio of 1: 1 and dispersed in an aqueous sodium carboxymethylcellulose solution. Using this dispersion, a sheet in which expanded graphite powder was adhered to short carbon fibers was made on a wire mesh. In order to remove moisture, the sheet was sandwiched between two filter papers and lightly pressed. Thereafter, the filter paper was removed and the sheet was dried. After drying, the sheet was roll-pressed to produce a porous conductive sheet. The obtained sheet is 80 g / m.2Met.
[0120]
(2) Creation of electrode substrate
The porous conductive sheet prepared in (1) above is heat-treated in air at 200 ° C. for 30 minutes, and then impregnated with PFA dispersion (Neoflon PFA dispersion, manufactured by Daikin Industries, Ltd.), and two filter papers It was lightly pressed and dried between. Furthermore, this sheet was 14.7 kPa (0.15 kgf / cm2The porous conductive sheet was manufactured by performing a heat treatment at 400 ° C. for 3 hours while applying pressure in the step). The amount of PFA applied was 15% by weight.
[0121]
(3) Creation of electrode catalyst layer
N-methylpyrrolidone was added while concentrating a commercially available Aldrich Nafion solution (5% by weight) to perform solvent replacement. The resulting Nafion solution was 10% by weight. To this was added catalyst-carrying carbon (catalyst; Pt, carbon; Vulcan XC-72 manufactured by Cabot, platinum-carrying amount; 50 wt%), and the mixture was well stirred to prepare a catalyst layer coating solution comprising a catalyst-polymer composition.
[0122]
(4) Application of electrode catalyst layer coating solution and creation of electrode by drying
On the porous conductive sheet prepared in (2), the catalyst layer coating solution prepared in (3) was applied and dried to prepare an electrode composed of an electrode substrate and an electrode catalyst layer. The obtained electrode has a platinum content of 0.5 mg / cm.2, Nafion amount 0.3mg / cm2Met.
[0123]
The static contact angle when a drop of the catalyst layer coating solution was allowed to stand on this electrode substrate was 90 °.
[0124]
From the cross-sectional SEM photograph of this electrode, the thickness of the mixed layer in which the electrode catalyst layer soaked into the electrode substrate was 15 μm.
[0125]
Example 6
(1) Creation of electrodes
An electrode was prepared in the same manner as in Example 2.
[0126]
(2) Membrane-electrode composite (MEA)
Two electrodes prepared in the above (1) were prepared, and sandwiched with the electrode catalyst layer surfaces facing each other from both sides of the proton exchange membrane (Nafion 112 manufactured by DuPont). This was hot pressed at 150 ° C. and 150 MPa to prepare an MEA.
[0127]
When the cross section of this MEA was observed by SEM, the thickness of the mixed layer in which the electrode catalyst layer soaked into the electrode substrate was 10 μm.
[0128]
(3) MEA fuel cell performance evaluation
The MEA prepared in (2) was evaluated for fuel cell performance by current-voltage (IV) measurement. Evaluation cell temperature is 70 ° C., anode (fuel) gas is hydrogen, cathode (oxidation) gas is air, and gas pressure is a maximum output of 450 mW / cm at normal pressure.2It showed good performance.
[0129]
Comparative Example 2
An MEA was prepared in the same manner as in Example 6 using the electrode prepared in Comparative Example 1.
[0130]
In SEM observation of this MEA cross section, the thickness of the mixed layer in which the electrode catalyst layer soaked into the electrode substrate was 30 μm.
[0131]
Furthermore, this MEA was subjected to IV measurement under the same conditions as in Example 6, but the maximum output was 250 mW / cm.2Compared with Example 6, the output was low and the performance was inferior.
[0132]
Example 7
(1) Preparation of electrode catalyst layer coating solution
A commercially available proton exchange resin solution (Nafion solution manufactured by Aldrich) was freeze-dried and freeze-pulverized to prepare proton exchange resin powder. Add 1.5 g of this powder and 3 g of catalyst-supported carbon (catalyst; Pt, carbon; Vulcan XC-72 manufactured by Cabot, platinum-supported amount: 50 wt%) to 10 g of butyl acetate, thoroughly mix and disperse, and coat the catalyst layer. A liquid was created.
[0133]
(2) Creation of MEA
The electrode catalyst layer coating solution prepared in (1) above was applied to both surfaces of a commercially available proton exchange membrane (DuPont Nafion 112) and dried. From both sides, a carbon cloth (ELAT manufactured by E-TEK) was sandwiched as an electrode base material to prepare an MEA.
[0134]
When the cross-sectional SEM observation of the obtained MEA was performed, the thickness of the mixed layer in which the electrode catalyst layer soaked into the electrode substrate was 5 μm.
[0135]
(3) MEA fuel cell performance evaluation
The MEA prepared in (2) was evaluated for fuel cell performance by current-voltage (IV) measurement. The evaluation cell temperature is 70 ° C., the anode (fuel) gas is hydrogen, the cathode (oxidation) gas is oxygen, and the gas pressure is a maximum pressure of 800 mW / cm at normal pressure.2It showed good performance.
[0136]
Example 8
(1) Preparation of electrode catalyst layer coating solution
Add 1 g of catalyst-supported carbon (catalyst; Pt, carbon; Vulcan XC-72 from Cabot, platinum loading: 50 wt%) to 10 g of a commercially available proton exchange resin solution (5% Nafion solution manufactured by Aldrich) and mix thoroughly. After dispersion, the solvent was removed by drying and pulverized to obtain a powder. 8 g of dioxane was added to this powder and mixed and dispersed sufficiently to prepare a catalyst layer coating solution.
[0137]
(2) Creation of MEA
Similarly to Example 7 (2), an MEA was prepared using the electrode catalyst layer coating solution prepared in (1) and the electrode substrate prepared in Example 5 (1). From the cross-sectional SEM observation of the obtained MEA, the thickness of the mixed layer was 5 μm.
[0138]
(3) MEA fuel cell performance evaluation
The MEA prepared in (2) was evaluated for fuel cell performance by current-voltage (IV) measurement. The evaluation cell temperature is 80 ° C., the anode (fuel) gas is hydrogen, the cathode (oxidation) gas is air, the gas pressure is 0.2 MPa, and the maximum output is 850 mW / cm.2It showed good performance.
[0139]
Example 9
(1) Creation of electrode substrate
An electrode substrate was prepared in the same manner as in Example 5 (1) and (2).
[0140]
(2) Creation of electrode catalyst layer
Add catalyst-supported carbon (catalyst; Pt, carbon; Cabot's Vulcan XC-72, platinum-supported amount: 50 wt%) to a commercially available Nadion solution (5 wt%) from Aldrich and stir well to obtain catalyst-polymer composition. A catalyst layer coating solution was prepared. This catalyst layer coating solution was applied on a 100 μm thick Teflon sheet and dried to prepare an electrode catalyst layer. The obtained electrocatalyst layer has a platinum content of 0.5 mg / cm.2, Nafion amount 0.3mg / cm2Met.
[0141]
(3) Transfer of electrode catalyst layer to proton exchange membrane
Two electrode catalyst layers prepared in the above (2) were prepared and sandwiched with the electrode catalyst layer surfaces facing each other from both sides of the proton exchange membrane (Nafion 112 manufactured by DuPont). This was roll-pressed to transfer the electrode catalyst layer to the proton exchange membrane to produce a proton exchange membrane with an electrode catalyst layer.
[0142]
(4) Creation of MEA
Using the proton exchange membrane with an electrode catalyst layer prepared in (3) above, MEA was prepared by sandwiching two electrode base materials prepared in (1) from both sides. From the cross-sectional SEM observation of this MEA, the thickness of the mixed layer was 5 μm.
[0143]
(5) MEA performance evaluation
The MEA prepared in (4) was evaluated for fuel cell performance by current-voltage (IV) measurement. Evaluation cell temperature is 60 ° C., anode (fuel) gas is hydrogen, cathode (oxidation) gas is air, and gas pressure is a maximum output of 350 mW / cm at normal pressure.2It showed good performance.
[0144]
Example 10
(1) Preparation of electrode catalyst layer coating solution
A commercially available proton exchange resin solution (Nafion solution manufactured by Aldrich) was freeze-dried and freeze-pulverized to prepare proton exchange resin powder. Add 1.5 g of this powder and 3 g of catalyst-supported carbon (catalyst; Pt, carbon; Vulcan XC-72 manufactured by Cabot, platinum-supported amount: 50 wt%) to 10 g of butyl acetate, thoroughly mix and disperse, and coat the catalyst layer. A liquid was created.
[0145]
(2) Preparation of electrode substrate coating liquid
Short fibers of PAN-based carbon fibers cut to a length of 12 mm and expanded graphite powder (manufactured by Toyo Tanso Co., Ltd., bulk density 0.14 g / cmThree, Average particle size of 100 to 200 μm) is mixed at a weight ratio of 1: 1, and sufficiently mixed and dispersed in a PFA dispersion (neoflon PFA dispersion, manufactured by Daikin Industries, Ltd.) to create an electrode base material coating solution did. The amount of PFA applied was 15% by weight.
[0146]
(3) Creation of MEA
The electrode catalyst layer coating solution prepared in (1) above was applied to both surfaces of a commercially available proton exchange membrane (DuPont Nafion 112) and dried. From both sides, the electrode catalyst layer coating solution prepared in (2) was applied and dried to prepare an MEA.
[0147]
From the cross section SEM of the obtained MEA, the thickness of the mixed layer was 5 μm.
[0148]
(4) MEA performance evaluation
The MEA prepared in (3) was evaluated for fuel cell performance by current-voltage (IV) measurement. The evaluation cell temperature is 70 ° C., the anode (fuel) gas is hydrogen, the cathode (oxidation) gas is oxygen, and the gas pressure is a maximum output of 500 mW / cm at normal pressure.2It showed good performance.
[0149]
【The invention's effect】
According to the present invention, an electrode with little catalyst permeation can be obtained. Therefore, the utilization efficiency of the catalyst is improved, and a low cost electrode can be obtained by reducing the amount of catalyst.
[0150]
The electrode of the present invention is applied not only to a membrane-electrode assembly (MEA) but also to an ordinary electrochemical device, particularly a polymer electrolyte fuel cell, and also to a mobile body and an automobile using this fuel cell. Applicable.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view of an embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
1: Scanning electron micrograph of a cross section of an example of the present invention
2: Cross section display
3: Platinum distribution map by X-ray microanalysis of the cross section of the embodiment of the present invention

Claims (27)

少なくとも、電極基材と電極触媒層とから構成される電極において、該電極基材の中に該電極触媒層が浸み込んで混合層を形成しているとともに、該混合層の厚さが3μm以上20μm以下であることを特徴とする電極。At least in an electrode composed of an electrode base material and an electrode catalyst layer, the electrode catalyst layer penetrates into the electrode base material to form a mixed layer, and the thickness of the mixed layer is 3 μm. electrode, characterized in that at 20μm or less. 混合層の厚さが10μm以下である請求項1記載の電極。The electrode according to claim 1, wherein the mixed layer has a thickness of 10 μm or less. 電極基材が多孔質導電シートである請求項1または2に記載の電極。The electrode according to claim 1 or 2, wherein the electrode substrate is a porous conductive sheet. 多孔質導電シートが無機導電性繊維を用いた織布構造あるいは不織布構造のものである請求項3に記載の電極。The electrode according to claim 3, wherein the porous conductive sheet has a woven fabric structure or a nonwoven fabric structure using inorganic conductive fibers. 無機導電性繊維が炭素繊維である請求項4に記載の電極。The electrode according to claim 4, wherein the inorganic conductive fiber is carbon fiber. 電極基材が導電性粒子を含む請求項1〜5のいずれかに記載の電極。The electrode according to any one of claims 1 to 5, wherein the electrode substrate contains conductive particles. 導電性粒子が炭素材である請求項6に記載の電極。The electrode according to claim 6, wherein the conductive particles are a carbon material. 電極基材がフッ素原子を含有するポリマを含む請求項1〜7のいずれかに記載の電極。The electrode in any one of Claims 1-7 in which an electrode base material contains the polymer containing a fluorine atom. 電極触媒層が、少なくとも、白金、パラジウム、金、ルテニウム、及びイリジウムからなる群から選ばれる一種以上の元素を含む請求項1〜8のいずれかに記載の電極。The electrode according to any one of claims 1 to 8, wherein the electrode catalyst layer contains at least one element selected from the group consisting of platinum, palladium, gold, ruthenium, and iridium. 電極触媒層がカーボンブラックを含む請求項1〜9のいずれかに記載の電極。The electrode according to claim 1, wherein the electrode catalyst layer contains carbon black. 電極触媒層がフッ素原子を含有するポリマを含む請求項1〜10のいずれかに記載の電極。The electrode according to claim 1, wherein the electrode catalyst layer contains a polymer containing fluorine atoms. 電極触媒層がプロトン交換基を有するポリマを含む請求項1〜11のいずれかに記載の電極。The electrode according to claim 1, wherein the electrode catalyst layer contains a polymer having a proton exchange group. 電極触媒塗液を電極基材上に塗布することを特徴とする請求項1〜12のいずれかに記載の電極の製造方法。The method for producing an electrode according to any one of claims 1 to 12, wherein an electrode catalyst coating solution is applied onto the electrode substrate. 電極基材と電極触媒塗液との静的接触角が50°以上である請求項13に記載の電極の製造方法。The method for producing an electrode according to claim 13, wherein a static contact angle between the electrode substrate and the electrode catalyst coating liquid is 50 ° or more. 請求項1〜12のいずれかに記載の電極と、プロトン交換膜とから構成される膜−電極複合体。A membrane-electrode composite comprising the electrode according to claim 1 and a proton exchange membrane. プロトン交換膜がフッ素原子含有ポリマである請求項15記載の膜−電極複合体。The membrane-electrode assembly according to claim 15, wherein the proton exchange membrane is a fluorine atom-containing polymer. フッ素原子含有ポリマがスルホン酸基を有するフルオロアルキルエーテル側鎖とフルオロアルキル主鎖からなるポリマである請求項16に記載の膜−電極複合体。The membrane-electrode assembly according to claim 16, wherein the fluorine atom-containing polymer is a polymer comprising a fluoroalkyl ether side chain having a sulfonic acid group and a fluoroalkyl main chain. 請求項1〜12のいずれかに記載の電極2枚の間にプロトン交換膜を前記各電極の電極触媒層側が該プロトン交換膜に対面するように配置し、前記2枚の電極で該プロトン交換膜を挟持させて接合することを特徴とする膜−電極複合体の製造方法。A proton exchange membrane is disposed between two electrodes according to any one of claims 1 to 12 so that the electrode catalyst layer side of each electrode faces the proton exchange membrane, and the proton exchange is performed by the two electrodes. A method for producing a membrane-electrode composite comprising sandwiching and joining membranes. 請求項1〜12のいずれかに記載の電極を用いた電気化学装置。The electrochemical apparatus using the electrode in any one of Claims 1-12. 請求項15〜17のいずれかに記載の膜−電極複合体を用いた電気化学装置。An electrochemical device using the membrane-electrode assembly according to any one of claims 15 to 17. 請求項1〜12のいずれかに記載の電極を用いた水電解装置。The water electrolysis apparatus using the electrode in any one of Claims 1-12. 請求項15〜17のいずれかに記載の膜−電極複合体を用いた水電解装置。A water electrolysis apparatus using the membrane-electrode assembly according to any one of claims 15 to 17. 請求項1〜12のいずれかに記載の電極を用いた燃料電池。A fuel cell using the electrode according to claim 1. 請求項15〜17のいずれかに記載の膜−電極複合体を用いた燃料電池。A fuel cell using the membrane-electrode assembly according to claim 15. 固体高分子型電解質を用いる請求項23または24に記載の燃料電池。The fuel cell according to claim 23 or 24 , wherein a solid polymer electrolyte is used. 請求項2325のいずれかに記載の燃料電池を電力供給源とする移動体。A mobile body using the fuel cell according to any one of claims 23 to 25 as a power supply source. 請求項2325のいずれかに記載の燃料電池を電力供給源とする自動車。An automobile using the fuel cell according to any one of claims 23 to 25 as a power supply source.
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