JP2001085019A - High polymer solid fuel cell and manufacture of electrode therefor - Google Patents

High polymer solid fuel cell and manufacture of electrode therefor

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JP2001085019A
JP2001085019A JP26292199A JP26292199A JP2001085019A JP 2001085019 A JP2001085019 A JP 2001085019A JP 26292199 A JP26292199 A JP 26292199A JP 26292199 A JP26292199 A JP 26292199A JP 2001085019 A JP2001085019 A JP 2001085019A
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JP
Japan
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layer
water
carbon
gas diffusion
repellent
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JP26292199A
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Japanese (ja)
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Masaru Yoshitake
優 吉武
Yasuhiro Kokukyo
康弘 国狭
Eiji Endo
栄治 遠藤
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Asahi Glass Co Ltd
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    • Y02P70/50Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To improve durability while having high open circuit voltage by forming a gas diffusion layer by flattening the surface by applying a hot press, oppositely arranging a pair of water repellent carbon layers, and arranging a catalyst layer in contact with the surface of the water repellent carbon layers after forming the water repellent carbon layers on the surface of carbon cloth. SOLUTION: A solid high polymer fuel cell is composed of an ion exchange membrane and an electrode in contact with both sides of it, the electrode is composed of a gas diffusion layer and a catalyst layer, and the gas diffusion layer is composed of a carbon cloth and water repellent carbon layers formed on the surface. The carbon cloth is desirably 100 to 600 μm a thick, and the water repellent carbon layers include a water repellent fluororesin and carbon black, and has a thickness of 10 to 100 μm. A hot press is desirably applied to the carbon cloth at 100 to 250 deg.C and 15 to 150 kg/cm2. The surface is flattened so that damage of the ion exchange membrane is reduced.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は新規固体高分子型燃
料電池およびそのための電極の製造方法に関する。
The present invention relates to a novel polymer electrolyte fuel cell and a method for manufacturing an electrode therefor.

【0002】[0002]

【従来の技術】水素・酸素燃料電池は、その反応生成物
が原理的に水のみであり、地球環境への悪影響が殆どな
い発電システムとして注目されている。この中でも特
に、固体高分子型燃料は、近年の研究の急速な進展によ
り高出力密度化が可能になっており、実用化がおおいに
期待されている。
2. Description of the Related Art A hydrogen / oxygen fuel cell has attracted attention as a power generation system whose reaction product is only water in principle, and has almost no adverse effect on the global environment. Among these, solid polymer fuels, in particular, have been able to achieve high output densities due to rapid progress in research in recent years, and are expected to be put to practical use.

【0003】このような燃料電池の電極に使用するガス
拡散層の材料には、カーボンクロスが特に面方向へのガ
ス拡散性に優れているのでカーボンペーパーと同様に広
く用いられている。しかしながら、カーボンクロスを実
際にガス拡散層材料として使用する場合、カーボンクロ
スは、本質的に織布であるため目開きおよび凹凸があ
り、またしなやかすぎるため触媒層と十分に接触させる
だけでは形状が保持されにくい。これを改善する方法と
して、表面上あるいはカーボンクロスにある程度侵入さ
せた状態でカーボンブラックと撥水性フッ素樹脂の混合
物で目詰めする方法(特開平10−261421号公報
参照。)が提案されている。
As a material of a gas diffusion layer used for such an electrode of a fuel cell, carbon cloth is widely used as well as carbon paper because carbon cloth is particularly excellent in gas diffusivity in a plane direction. However, when carbon cloth is actually used as a gas diffusion layer material, the carbon cloth is essentially a woven cloth, and has openings and irregularities. Hard to be retained. As a method for improving this, a method of plugging with a mixture of carbon black and a water-repellent fluororesin on the surface or in a state of being partially penetrated into carbon cloth (see Japanese Patent Application Laid-Open No. 10-261421) has been proposed.

【0004】[0004]

【発明が解決しようとする課題】本発明者らは、前記従
来法について検討したところ、この方法では、カーボン
クロスの良好なガス拡散性を活かすためには撥水性カー
ボン層で充填される部分を、カーボンクロスの厚さの半
分以下程度と少なくしてあるためカーボンクロス本体の
形状の影響が大きく、凹凸がまだかなり残っていること
を見出した。
The present inventors have studied the above-mentioned conventional method. In this method, in order to take advantage of the good gas diffusivity of the carbon cloth, the portion filled with the water-repellent carbon layer must be used. Since the thickness of the carbon cloth is reduced to about half or less, the influence of the shape of the carbon cloth main body is large, and it has been found that considerable irregularities still remain.

【0005】さらに、固体高分子型燃料電池を作製する
場合電極−イオン交換膜の接合に際して、上記のような
カーボンクロス上に形成された撥水性カーボン層を有す
るガス拡散層上にそのまま触媒層を形成して、その触媒
層をイオン交換膜に接合(例えば、ホットプレス法で)
したり、イオン交換膜の両面に触媒層が一体に形成され
た触媒層/イオン交換膜/触媒層体の両外側からそのま
ま、2組のガス拡散層で挟み込み、または触媒層/イオ
ン交換膜/触媒層体の両外側にそれぞれガス拡散層を接
合する。この場合、イオン交換膜に、それに接する撥水
性カーボン層の表面の凹凸により厚みむらが生じること
も見出された。その凹凸の度合いは、カーボンクロスの
厚さや撥水性カーボン層の厚さに応じて大きく変わりう
るが、例えばカーボンクロスの厚さが400μmでカー
ボン層の厚さが60μmであるガス拡散層材料について
は、糸が重なり合っていない箇所では230μmにも薄
くなっていることを確かめた。
Further, when a polymer electrolyte fuel cell is manufactured, at the time of bonding the electrode and the ion exchange membrane, the catalyst layer is directly placed on the gas diffusion layer having the water-repellent carbon layer formed on the carbon cloth as described above. Form and join the catalyst layer to the ion exchange membrane (eg, by hot pressing)
The catalyst layer is integrally formed on both sides of the ion-exchange membrane. The catalyst layer / ion-exchange membrane / the catalyst layer is directly sandwiched between two sets of gas diffusion layers from both outer sides, or the catalyst layer / ion-exchange membrane / Gas diffusion layers are bonded to both outer sides of the catalyst layer body. In this case, it has also been found that unevenness in the thickness of the water-repellent carbon layer in contact with the ion exchange membrane occurs due to unevenness of the surface. The degree of the irregularities can vary greatly depending on the thickness of the carbon cloth and the thickness of the water-repellent carbon layer.For example, for a gas diffusion layer material having a carbon cloth thickness of 400 μm and a carbon layer thickness of 60 μm, It was confirmed that the portion where the yarns did not overlap was as thin as 230 μm.

【0006】さらには、局所的に存在する突起物により
膜が損傷を受けたりすることが多々あり、それに起因し
て作製される高分子型燃料電池の耐久性について影響を
与えることが推測された。
Furthermore, the membrane is often damaged by locally existing projections, and it is presumed that this has an effect on the durability of the polymer fuel cell produced. .

【0007】以上のような情況下に、従来のガス拡散層
を改良して、耐久性に優れた固体高分子型燃料電池を提
供することが求められている。したがって、本発明の目
的は、ガス拡散層を改良し耐久性に優れた固体高分子型
燃料電池およびそのための電極を提供することにある。
Under the circumstances described above, there is a need to improve a conventional gas diffusion layer to provide a polymer electrolyte fuel cell having excellent durability. Accordingly, an object of the present invention is to provide a polymer electrolyte fuel cell having an improved gas diffusion layer and excellent durability, and an electrode therefor.

【0008】[0008]

【課題を解決するための手段】すなわち、本発明は触媒
層とガス拡散層とからなる固体高分子型燃料電池用電極
の製造方法において、カーボンクロスの表面に撥水性カ
ーボン層を形成した後、ホットプレスを施し表面を平坦
化してガス拡散層とし、触媒層を前記撥水性カーボン層
表面に接触させて配置することに特徴を有する固体高分
子型燃料電池用電極およびこれを使用した固体高分子型
燃料電池の製造方法に存する。
That is, the present invention relates to a method for producing an electrode for a polymer electrolyte fuel cell comprising a catalyst layer and a gas diffusion layer, wherein a water-repellent carbon layer is formed on the surface of a carbon cloth. Electrode for polymer electrolyte fuel cell, characterized in that the surface is flattened by hot pressing to form a gas diffusion layer, and the catalyst layer is disposed in contact with the surface of the water-repellent carbon layer, and solid polymer using the same In the method of manufacturing a fuel cell.

【0009】[0009]

【発明の実施の形態】次に、本発明の実施の形態につい
て説明する。
Next, an embodiment of the present invention will be described.

【0010】本発明において、ガス拡散層はカーボンク
ロスとその表面に形成される撥水性カーボン層とからな
るが、カーボンクロスは、その厚さが好ましくは100
〜600μm程度であり、撥水性カーボン層には好まし
くは撥水性フッ素樹脂およびカーボンブラックが含まれ
る。
In the present invention, the gas diffusion layer comprises a carbon cloth and a water-repellent carbon layer formed on the surface of the carbon cloth.
The water-repellent carbon layer preferably contains a water-repellent fluororesin and carbon black.

【0011】カーボンクロスはカーボン短繊維を縒った
糸を織布にしたものであり、カーボンクロスとして使用
され、知られ、あるいは開発されるものを使用すること
ができる。
The carbon cloth is a woven cloth made of twisted carbon short fibers, and any carbon cloth known, or developed, can be used.

【0012】カーボンクロスの表面に形成される撥水性
カーボン層については、従来より知られている方法によ
り形成することができ、撥水性を有するカーボン層を形
成すればよい。この場合、カーボンブラックと撥水性を
有する樹脂を含有する層が好ましく採用される。より好
ましくは、カーボンクロスの表面をカーボンブラックと
撥水性フッ素樹脂を含む混合物である撥水性カーボン層
で一部を目詰めしたものを使用する。この場合の撥水性
フッ素樹脂は特に制限されず、溶媒に溶解できるもので
もできないものでもよい。
The water-repellent carbon layer formed on the surface of the carbon cloth can be formed by a conventionally known method, and a water-repellent carbon layer may be formed. In this case, a layer containing carbon black and a resin having water repellency is preferably employed. More preferably, a carbon cloth whose surface is partially filled with a water-repellent carbon layer, which is a mixture containing carbon black and a water-repellent fluororesin, is used. The water-repellent fluororesin in this case is not particularly limited, and may or may not be soluble in a solvent.

【0013】撥水性カーボン層は、その厚さが好ましく
は10〜100μm程度であり、この撥水性カーボン層
は前記カーボンクロス表面に形成されるが、そのカーボ
ンクロスの厚さの3分の1以上その中に撥水性カーボン
層の成分が侵入しないように形成するのが好ましい。撥
水性カーボン層の成分がカーボンクロス表面から厚さ方
向に侵入することによりアンカー効果を発揮するので好
ましいが、カーボンクロスの厚さの3分の1以上侵入す
るとカーボンクロスの良好なガス拡散性が失われてしま
うので、好ましくない。
The water-repellent carbon layer has a thickness of preferably about 10 to 100 μm. The water-repellent carbon layer is formed on the surface of the carbon cloth, and is at least one third of the thickness of the carbon cloth. It is preferable to form it so that the components of the water-repellent carbon layer do not enter therein. It is preferable because the water repellent carbon layer has an anchor effect by penetrating in the thickness direction from the surface of the carbon cloth. However, when the carbon cloth penetrates more than one-third of the thickness of the carbon cloth, good gas diffusivity of the carbon cloth is obtained. It is not preferable because it is lost.

【0014】本発明におけるホットプレスの条件につい
ては、撥水性カーボン層が形成されたカーボンクロスに
対し好ましくは温度100〜250℃およびプレス圧力
15〜150kg/cm2程度の条件でホットプレスを
施し、ガス拡散層の撥水性カーボン層側表面を平坦化す
る工程を実施することができる。
The hot press conditions in the present invention are preferably such that the carbon cloth on which the water-repellent carbon layer is formed is subjected to hot press preferably at a temperature of 100 to 250 ° C. and a press pressure of about 15 to 150 kg / cm 2 , A step of flattening the surface of the gas diffusion layer on the side of the water-repellent carbon layer can be performed.

【0015】ホットプレスを施して平坦化したガス拡散
層に隣接して触媒層を配置する工程としては、好ましく
は該ガス拡散層の前記撥水性カーボン層側表面に触媒層
を形成したものを電極として2枚作製し、それぞれの触
媒層を内側に向けて前記2枚の電極を対向させ、間にイ
オン交換膜を挟んで接合する工程、あるいはイオン交換
膜の両面にそれぞれ触媒層を形成し、その両外側から前
記触媒層が前記撥水性カーボン層表面と接するように前
記ガス拡散層2枚で挟み込む工程により、触媒層を前記
撥水性カーボン層表面に接触させて配置する固体高分子
型燃料電池を製造することができる。
The step of arranging the catalyst layer adjacent to the gas diffusion layer that has been flattened by hot pressing preferably includes forming the catalyst layer on the surface of the gas diffusion layer on the side of the water-repellent carbon layer as an electrode. A step of bonding the two electrodes with the respective catalyst layers facing inward and bonding them with an ion exchange membrane therebetween, or forming a catalyst layer on both surfaces of the ion exchange membrane, A polymer electrolyte fuel cell in which a catalyst layer is placed in contact with the surface of the water-repellent carbon layer by sandwiching the two gas diffusion layers so that the catalyst layer is in contact with the surface of the water-repellent carbon layer from both outer sides thereof Can be manufactured.

【0016】なお、本発明において固体高分子型燃料電
池は、イオン交換膜とその両側に接して存在する電極
(カソードおよびアノード)とで構成されている。電極
はガス拡散層と触媒層とから構成され、イオン交換膜
は、電極の触媒層側と接して電極と接合されている。
In the present invention, the polymer electrolyte fuel cell comprises an ion exchange membrane and electrodes (cathode and anode) present on both sides thereof. The electrode is composed of a gas diffusion layer and a catalyst layer, and the ion exchange membrane is in contact with the electrode in contact with the catalyst layer side of the electrode.

【0017】本発明において、ガス拡散層上に触媒層を
形成する場合、ガス拡散層の平坦化された撥水性カーボ
ン層の表面上に触媒層を形成するが、このときアノード
用とカソード用とで2組調製する必要がある。これらを
イオン交換膜に接合する工程では、それぞれイオン交換
膜の両外側にそれぞれ触媒層が接するように配置して接
合すると目的とする燃料電池が作製される。
In the present invention, when the catalyst layer is formed on the gas diffusion layer, the catalyst layer is formed on the surface of the flattened water-repellent carbon layer of the gas diffusion layer. Need to be prepared in two sets. In the step of joining these to the ion exchange membrane, the catalyst layer is arranged so as to be in contact with both outer sides of the ion exchange membrane so as to be in contact with each other, whereby the intended fuel cell is produced.

【0018】また、イオン交換膜の両面にそれぞれ触媒
層が形成された触媒層/イオン交換膜/触媒層体を使用
し、この両外側から2枚のガス拡散層で挟み込む場合、
ガス拡散層の平坦化した表面が触媒層と接するように挟
み込む。このとき、触媒層/イオン交換膜/触媒層体は
両外側に配置されたガス拡散層と接合することも好まし
い。
When a catalyst layer / ion exchange membrane / catalyst layer body having a catalyst layer formed on both sides of an ion exchange membrane is used and sandwiched between two gas diffusion layers from both outer sides,
The gas diffusion layer is sandwiched so that the flattened surface is in contact with the catalyst layer. At this time, it is also preferable that the catalyst layer / ion exchange membrane / catalyst layer body is bonded to the gas diffusion layers disposed on both outer sides.

【0019】本発明ではホットプレスの工程により、ガ
ス拡散層の撥水性カーボン層表面の凹凸が平坦化される
とともに表面上の粉末塊による突起物がならされ、イオ
ン交換膜の接合時の膜厚むらおよびカーボンクロスのけ
ば立ちによる膜の損傷が軽減され、平坦な接合面を有す
る電極−イオン交換膜接合体を作製することができる。
In the present invention, the surface of the water-repellent carbon layer of the gas diffusion layer is flattened by the hot pressing step, and the protrusions due to the powder mass on the surface are smoothed out. Damage to the membrane due to unevenness and fuzzing of the carbon cloth is reduced, and an electrode-ion exchange membrane assembly having a flat joint surface can be manufactured.

【0020】本発明の製造方法においてホットプレスに
よりガス拡散層が平坦化される程度やその平坦化の状態
については、光学顕微鏡および電子顕微鏡などでガス拡
散層の断面を観察することにより従来法との比較の上で
容易に確認することができる。
In the manufacturing method of the present invention, the degree of flattening of the gas diffusion layer by hot pressing and the state of the flattening are determined by observing the cross section of the gas diffusion layer with an optical microscope, an electron microscope or the like. Can be easily confirmed by comparison.

【0021】電極−イオン交換膜接合体の形成方法とし
ては一般的なホットプレス接合(例えば、特開平8−7
897号公報参照。)やロール間を通す熱融着(特開平
8−329962号公報参照。)の他に、特殊な接着剤
を用いてイオン交換膜と電極とを接合する接着法(特開
平7−254420号公報参照。)など各種の方法が提
案されているが、これらの方法を適宜利用することがで
きる。
As a method of forming the electrode-ion exchange membrane assembly, a general hot press bonding (for example, Japanese Patent Application Laid-Open No.
See No. 897. ) Or heat fusion passing between rolls (see Japanese Patent Application Laid-Open No. 8-329962), and a bonding method for bonding an ion exchange membrane and an electrode using a special adhesive (Japanese Patent Application Laid-Open No. 7-254420). Various methods have been proposed, but these methods can be used as appropriate.

【0022】なお、本発明に使用するイオン交換膜とし
ては、特に制限は無い。補強された膜でも補強されてい
ない膜でも使用でき、例えばデュポン社製ナフィオン
(商品名)、ジャパンゴアテックス社製ゴア・セレクト
(商品名)等が使用できる。
The ion exchange membrane used in the present invention is not particularly limited. Either a reinforced membrane or a non-reinforced membrane can be used. For example, Nafion (trade name) manufactured by DuPont or Gore Select (trade name) manufactured by Japan Gore-Tex Corporation can be used.

【0023】ガス拡散層を形成するため前記ホットプレ
ス条件については、カーボンクロス表面上の撥水性カー
ボン層の変形し易さを考慮すると、好ましくは100〜
250℃、より好ましくは150〜200℃で実施する
必要がある。
The hot pressing conditions for forming the gas diffusion layer are preferably 100 to 100 in consideration of the ease of deformation of the water-repellent carbon layer on the carbon cloth surface.
It is necessary to carry out at 250 ° C, more preferably at 150 to 200 ° C.

【0024】100℃未満でのプレス温度ではカーボン
クロスを構成するカーボン繊維間同士の間隔を詰める効
果は得られるが、低温なためフッ素樹脂を比較的多く含
むカーボン層の流動性を得られ難く、表面凹凸の起伏を
緩やかにし難い。一方、250℃を超えるプレス温度
は、撥水性カーボン層内の撥水性フッ素樹脂に対して化
学的に悪影響を及ぼす可能性があることを考慮すると、
耐熱性の点から好ましくない。
At a pressing temperature of less than 100 ° C., the effect of reducing the distance between the carbon fibers constituting the carbon cloth can be obtained, but since the temperature is low, it is difficult to obtain the fluidity of the carbon layer containing a relatively large amount of fluororesin. It is difficult to make the unevenness of the surface uneven. On the other hand, the pressing temperature exceeding 250 ° C., considering that there is a possibility of chemically adversely affecting the water-repellent fluororesin in the water-repellent carbon layer,
It is not preferable from the viewpoint of heat resistance.

【0025】上記の好ましい温度範囲については、撥水
性カーボン層の組成が撥水性フッ素樹脂とカーボンブラ
ックとで2:8〜5:5(重量比)であることを考慮し
て決定された。この組成はフッ素樹脂のバインダー効果
と多孔度、導電性および撥水性がバランスよく得られる
ように決められている。
The above-mentioned preferable temperature range was determined in consideration of the fact that the composition of the water-repellent carbon layer was 2: 8 to 5: 5 (weight ratio) between the water-repellent fluororesin and carbon black. This composition is determined so that the binder effect and the porosity, conductivity and water repellency of the fluororesin can be obtained in a well-balanced manner.

【0026】この場合、フッ素樹脂の含有率が20%未
満の場合、撥水性の持続力が十分ではなく濡れ易く電池
反応生成水などを排出し難くなりフラッディングが起こ
り易くなるので好ましくない。また、この場合フッ素樹
脂のバインダー効果が得られ難く、粉末層が崩れ落ちた
りするので、この点からも好ましくない。
In this case, if the content of the fluororesin is less than 20%, the water repellency is not sufficiently sustained, the water is easily wetted, the water produced by the battery reaction is hardly discharged, and the flooding easily occurs. Further, in this case, it is difficult to obtain the binder effect of the fluororesin, and the powder layer collapses, which is not preferable from this point.

【0027】一方、フッ素樹脂の比率が50%を超える
と、撥水性に関しては十分であるがフッ素樹脂は絶縁物
であるため抵抗が大きくなり導電性が大きく低下するの
で好ましくない。
On the other hand, if the proportion of the fluororesin exceeds 50%, the water repellency is sufficient, but the fluororesin is an insulator, so that the resistance is increased and the conductivity is greatly reduced, which is not preferable.

【0028】また、ここで使用するフッ素樹脂として、
好ましくはポリテトラフルオロエチレン(PTFE)お
よびエチレン/テトラフルオロエチレン共重合体(ET
FE)を採用することができる。
As the fluororesin used here,
Preferably, polytetrafluoroethylene (PTFE) and ethylene / tetrafluoroethylene copolymer (ET)
FE) can be employed.

【0029】プレス圧力については、15〜150kg
/cm2程度が好ましい。15kg/cm2未満ではカー
ボンクロスを構成するカーボン繊維間の間隔が詰まらず
カーボンクロス自体の凹凸が大きく残存する。一方、1
50kg/cm2を超えるとより平坦なものが得られる
ものの、ガス拡散層の厚さがかなり薄くなり、カーボン
層の細孔が潰れてガス拡散性が大きく低下するため、何
れも好ましくない。
The press pressure is 15 to 150 kg
/ Cm 2 is preferred. If it is less than 15 kg / cm 2 , the gap between the carbon fibers constituting the carbon cloth is not narrowed, and large irregularities of the carbon cloth itself remain. Meanwhile, 1
When it exceeds 50 kg / cm 2 , a flatter material can be obtained, but the thickness of the gas diffusion layer is considerably reduced, the pores of the carbon layer are crushed, and the gas diffusibility is greatly reduced.

【0030】プレス時間については特に限定されない
が、30秒〜10分程度が好ましく、カーボン層が変形
する時間を考慮すると2〜5分程度が特に好ましい。
Although the pressing time is not particularly limited, it is preferably about 30 seconds to 10 minutes, and particularly preferably about 2 to 5 minutes in consideration of the time required for the carbon layer to be deformed.

【0031】[0031]

【作用】カーボンクロスの表面を撥水性カーボン層で目
詰めをした後、プレスすることにより、カーボンクロス
の糸を構成する束状のカーボン繊維の間隔が狭まること
によりカーボンクロス全体が平坦になる。また、目詰め
した撥水性カーボン層は加熱することにより流動性を帯
び易く、カーボンクロスの平坦化に合わせて変形しその
凹凸も緩やかになる。さらに、撥水性カーボン層の突起
状の粉末塊も押し潰されることによりならされ、得られ
るガス拡散層全体の凹凸が軽減するとともに表面も平坦
化される。
After the surface of the carbon cloth is filled with a water-repellent carbon layer and pressed, the spacing between the bundles of carbon fibers constituting the yarn of the carbon cloth is reduced, so that the entire carbon cloth becomes flat. In addition, the clogged water-repellent carbon layer is likely to have fluidity when heated, and is deformed in accordance with the flattening of the carbon cloth, so that the irregularities thereof become gentle. Further, the protrusion-like powder mass of the water-repellent carbon layer is crushed and smoothed, so that the entire gas diffusion layer obtained is reduced in unevenness and the surface is flattened.

【0032】このように平坦化したガス拡散層を使用し
て電極−膜接合体を形成することによりイオン交換膜の
損傷および膜厚むらを大幅に軽減することができる。こ
れによりホットプレスなどによる電極−膜接合体形成時
に、イオン交換膜の部分的な薄膜化を抑制することがで
きるため、機械的強度を確保し易くなるとともに水素の
クロスリークの増大が阻止され、この結果高い開回路電
圧を維持しながら、耐久性を大幅に向上させることがで
きる。
By forming an electrode-membrane assembly using the gas diffusion layer thus flattened, damage to the ion exchange membrane and unevenness of the film thickness can be greatly reduced. Thereby, when the electrode-membrane assembly is formed by hot pressing or the like, it is possible to suppress the partial thinning of the ion-exchange membrane, so that it becomes easy to secure mechanical strength and increase in hydrogen cross leak is prevented, As a result, the durability can be greatly improved while maintaining a high open circuit voltage.

【0033】[0033]

【実施例】以下、本発明の具体的な態様を実施例および
比較例により詳細に説明するが、本発明はこれらに限定
されるものではない。
EXAMPLES Hereinafter, specific embodiments of the present invention will be described in detail with reference to Examples and Comparative Examples, but the present invention is not limited thereto.

【0034】<実施例1>以下の手順で一体型接合体を
作製する。
<Example 1> An integrated joined body is manufactured in the following procedure.

【0035】ガス拡散層材料として、厚さ460μmの
カーボンクロスの表面をカーボンブラックと撥水性フッ
素樹脂の混合物である撥水性カーボン層で目詰めしたも
の(商品名:CARBEL−CL、ジャパンゴアテック
ス社製)を用いた。これを所定のサイズに切り出し、大
気中でポリイミド製のシート(商品名:カプトンシー
ト、デュポン社製)に挟み込み、160℃で種々のプレ
ス圧力で5分間ホットプレスした際の厚さの変化を図1
に示す。厚さはプレス機から取り出した後に測定したも
のである。
As a gas diffusion layer material, a carbon cloth having a thickness of 460 μm is filled with a water-repellent carbon layer which is a mixture of carbon black and a water-repellent fluororesin (trade name: CARBEL-CL, Japan Gore-Tex Co., Ltd.). Was used. This is cut into a predetermined size, sandwiched between polyimide sheets (trade name: Kapton sheet, manufactured by DuPont) in the air, and the thickness change when hot pressing at 160 ° C. for 5 minutes at various pressing pressures is shown. 1
Shown in The thickness was measured after removing from the press.

【0036】プレス圧力が20〜30kg/cm2で緩
やかな傾きとなること、および150kg/cm2以上
では撥水性カーボン層の細孔が潰れる度合いが大きくな
るため、ここでは50kg/cm2のプレス圧力を選択
した。プレス機から取り出した後の厚さは約410μm
であった。ホットプレス前後でのガス拡散層の厚さの変
化についての結果を表1に示す。なお、ホットプレス後
において、カーボンクロス中に侵入している撥水性カー
ボン層の成分はカーボンクロスの表面から約30μmの
深さまでであった。
[0036] It pressing pressure becomes gentle slope at 20-30 kg / cm 2, and at 150 kg / cm 2 or more for the degree to which the pores of the water-repellent carbon layer is crushed is increased, where the 50 kg / cm 2 Press Pressure was chosen. The thickness after taking out from the press machine is about 410μm
Met. Table 1 shows the results of changes in the thickness of the gas diffusion layer before and after hot pressing. After hot pressing, the components of the water-repellent carbon layer that had penetrated into the carbon cloth were up to a depth of about 30 μm from the surface of the carbon cloth.

【0037】[0037]

【表1】ガス拡散層のホットプレス前後での厚さの変化 [Table 1] Change in thickness of gas diffusion layer before and after hot pressing

【0038】主にカーボンクロスにおいて、フィラメン
トが束状になっている糸が重なり合っている部分のフィ
ラメント間隔が狭まることで薄くなるとともに平坦化し
たものと考えられる。撥水性カーボン層の厚さはほとん
ど変化していないが、カーボンクロスの平坦化に伴い、
凹凸の起伏はなだらかになった。
It is considered that mainly the carbon cloth is thinned and flattened by narrowing the filament interval in the portion where the yarns in which the filaments are bundled overlap each other. The thickness of the water-repellent carbon layer hardly changes, but with the flattened carbon cloth,
The undulations became smooth.

【0039】アノード側の触媒層を形成するために、触
媒インクを使用した。このようなアノード用触媒インク
として、パーフルオロスルホン酸型イオン交換樹脂(C
2=CF2に基づく重合単位とCF2=CFOCF2CF
(CF3)O(CF22SO 3Hに基づく重合単位とから
なる共重合体)25重量%と、40%Pt担持カーボン
(Pt/C=40/60)75重量%の固形分組成から
なる溶液を用いた。このアノード用触媒インクをPt付
着量が0.5mg/cm2となるように、上記ガス拡散
層の撥水性カーボン層側の表面上に塗布し乾燥させ電極
を作製した。
To form the catalyst layer on the anode side,
Medium ink was used. Such an anode catalyst ink
As perfluorosulfonic acid type ion exchange resin (C
FTwo= CFTwoPolymerized unit based on CF and CFTwo= CFOCFTwoCF
(CFThree) O (CFTwo)TwoSO ThreeFrom polymerized units based on H
25% by weight and 40% Pt-supported carbon
(Pt / C = 40/60) from 75% by weight solids composition
Was used. Pt this anode catalyst ink
0.5mg / cmTwoSo that the gas diffusion
Electrode coating on the water-repellent carbon layer side surface of the layer and drying
Was prepared.

【0040】また、カソード側の触媒層を形成するため
の触媒インクとしては、パーフルオロスルホン酸型イオ
ン交換樹脂(イオン交換容量0.91ミリ当量/g乾燥
樹脂;デュポン社製商品名「ナフィオン」)25重量%
と、40%Pt担持カーボン(Pt/C=40/60)
75重量%との固形分組成の溶液を用いた。このカソー
ド用触媒インクを前記アノード側の触媒層と同様にPt
付着量が0.5mg/cm2となるように、上記のカー
ボンクロスの撥水性カーボン層側表面に塗布し乾燥させ
電極を作製した。
As the catalyst ink for forming the cathode-side catalyst layer, a perfluorosulfonic acid type ion exchange resin (ion exchange capacity 0.91 meq / g dry resin; trade name “Nafion” manufactured by DuPont) ) 25% by weight
And 40% Pt-supported carbon (Pt / C = 40/60)
A solution having a solid content of 75% by weight was used. This cathode catalyst ink is treated with Pt in the same manner as the anode-side catalyst layer.
The above-mentioned carbon cloth was coated on the surface of the water-repellent carbon layer side and dried so that the amount of adhesion was 0.5 mg / cm 2 , thereby producing an electrode.

【0041】このようにして得られた電極は何れも5.
3cm角に切り出して電極シートとした。イオン交換膜
には、パーフルオロスルホン酸型イオン交換樹脂膜(乾
燥膜厚50μm、1.1ミリ当量/g乾燥樹脂;旭硝子
社製商品名「フレミオン」)を用い、両電極ともに触媒
層側を内側に向けてイオン交換膜を挟み込みホットプレ
ス接合を行い、ガス拡散層-触媒層-イオン交換膜-触媒
層-ガス拡散層一体型の接合体を調製し、セルに組み込
むことにより単セルを作製した。
Each of the electrodes obtained in this way is referred to as 5.
An electrode sheet was cut out into a 3 cm square. As the ion exchange membrane, a perfluorosulfonic acid type ion exchange resin membrane (dry film thickness 50 μm, 1.1 meq / g dry resin; trade name “Flemion” manufactured by Asahi Glass Co., Ltd.) was used. Hot press bonding with the ion exchange membrane sandwiched inward to prepare a gas diffusion layer-catalyst layer-ion exchange membrane-catalyst layer-gas diffusion layer integrated assembly did.

【0042】この単セルを用いて、常圧、セル温度80
℃、燃料ガスに水素/空気を用い、燃料利用率は水素7
0%、空気40%として発電試験を行った。初期時およ
び0.5A/cm2定電流駆動の連続発電試験における
100時間後の開回路電圧とセル電圧および空気出口ラ
イン中の水素濃度を測定し、結果を表2に示した。
Using this single cell, normal pressure, cell temperature 80
℃, use hydrogen / air as fuel gas, fuel utilization rate is hydrogen 7
A power generation test was performed with 0% and air at 40%. The open circuit voltage, the cell voltage, and the hydrogen concentration in the air outlet line were measured at the initial stage and after 100 hours in a continuous power generation test at a constant current of 0.5 A / cm 2. The results are shown in Table 2.

【0043】<比較例1>実施例1において触媒層をC
ARBEL−CLに塗布する前にガス拡散層自体をホッ
トプレスする工程を省略した以外は何ら変更することな
く、実施例1を繰り返し同様に一体型の接合体を作製し
た。これをセルに組み込み、単セルを作製し、実施例1
と同様の条件で連続発電試験を行い、初期時および10
0時間後の結果を同様に表2に併せて示した。
<Comparative Example 1>
Example 1 was repeated in the same manner as in Example 1 except that the step of hot-pressing the gas diffusion layer itself before application to ARBEL-CL was omitted. This was incorporated into a cell to produce a single cell,
A continuous power generation test was performed under the same conditions as in
The result after 0 hour is also shown in Table 2.

【0044】[0044]

【表2】実施例1および比較例1の連続試験結果 [Table 2] Results of continuous test of Example 1 and Comparative Example 1

【0045】比較例1で調製された接合体では、初期時
において既に水素のクロスリーク量を反映する開回路電
圧が実施例1の場合0.88Vに対して0.82Vと低
かった。これに対して、空気出口ライン中の水素濃度に
ついては、実施例1と比較例1とでほとんど差が無かっ
たが、これについては空気極上のPt触媒により漏れ込
んだ水素が燃焼されたためと考えられる。この反応に費
やされたエネルギーが大きいために、開回路電圧が下が
ったものと推察される。
In the joined body prepared in Comparative Example 1, the open circuit voltage reflecting the amount of hydrogen cross leak was already as low as 0.82 V in Example 1 compared to 0.88 V in Example 1. On the other hand, with respect to the hydrogen concentration in the air outlet line, there was almost no difference between the example 1 and the comparative example 1, but it is considered that the leaked hydrogen was burned by the Pt catalyst on the air electrode. Can be It is presumed that the open circuit voltage dropped due to the large amount of energy expended in this reaction.

【0046】また、連続試験での100時間後の開回路
電圧において、本発明品(実施例1)では0.88Vの
まま変化はみられないが、従来品(比較例1)では0.
77Vまで低下した。これは、空気出口ライン中の水素
濃度が本発明品では初期時と変わらず約10ppmであ
るのに対し、従来品では初期時の約10ppmに対し数
千ppmまで極端に増大している。これは膜が破れたか
あるいは極端に薄膜化したことによるものと考えられ
る。すなわち、比較例1による接合体では、電極のホッ
トプレス接合時に電極の凹凸や表面突起物のために膜厚
むらが発生したために部分々々で数μmにまで薄膜化し
ており、その部分がセパレーターで押しつけられたこと
により発電中に押し切れたか、あるいは極端に薄膜化し
たものと考えられる。これに対して、実施例1による接
合体では、接合時にイオン交換膜と電極との接合面が平
坦になっているため、膜厚むらが少なくイオン交換膜が
概ね40μm以上の膜厚を確保しており、結果として膜
の押し切れや膜破れを防ぐことができた。
In the open circuit voltage after 100 hours in the continuous test, the product of the present invention (Example 1) shows no change at 0.88 V, but the conventional product (Comparative Example 1) shows no change.
It dropped to 77V. This is because the hydrogen concentration in the air outlet line of the product of the present invention is about 10 ppm, which is not different from the initial time, whereas that of the conventional product is extremely increased to several thousands ppm from about 10 ppm at the initial time. This is considered to be due to the film being torn or extremely thinned. That is, in the joined body according to Comparative Example 1, the thickness of each part was reduced to several μm due to unevenness of the electrode and unevenness of the surface due to surface protrusions at the time of hot press joining of the electrode, and the part was formed into a separator. It is supposed that they were pushed out during power generation due to being pressed, or were extremely thinned. On the other hand, in the bonded body according to Example 1, the bonding surface between the ion-exchange membrane and the electrode was flat at the time of bonding, so that the thickness of the ion-exchange membrane was small and approximately 40 μm or more. As a result, it was possible to prevent the film from being pushed out and the film from being broken.

【0047】[0047]

【発明の効果】本発明による平坦化したガス拡散層を使
用して電極−イオン交換膜接合体を形成することにより
イオン交換膜の損傷および膜厚むらを大幅に軽減するこ
とができる。この結果、接合体の状態でのイオン交換膜
の薄膜化や膜の押し切れを防ぎ、高い開回路電圧を有し
ながら耐久性を大幅に向上させた固体高分子型燃料電池
を提供することができる。
By using the flattened gas diffusion layer according to the present invention to form an electrode-ion exchange membrane assembly, damage to the ion exchange membrane and unevenness in film thickness can be greatly reduced. As a result, it is possible to provide a polymer electrolyte fuel cell in which the ion-exchange membrane is prevented from being thinned or the membrane is pushed out in the state of the joined body, and the durability is greatly improved while having a high open circuit voltage. it can.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】実施例1における160℃におけるプレス圧力
とプレス後のガス拡散層の厚さの関係を示す図である。
FIG. 1 is a diagram showing a relationship between a pressing pressure at 160 ° C. and a thickness of a gas diffusion layer after pressing in Example 1.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI テーマコート゛(参考) H01M 8/10 H01M 8/10 (72)発明者 遠藤 栄治 神奈川県横浜市神奈川区羽沢町1150番地 旭硝子株式会社内 Fターム(参考) 5H018 AA06 AS02 AS03 BB01 BB03 DD06 EE05 EE08 EE18 HH03 HH05 HH08 HH09 5H026 AA06 BB00 BB01 BB02 CX03 EE05 EE19 HH03 HH05 HH08 HH09 ──────────────────────────────────────────────────の Continued on the front page (51) Int.Cl. 7 Identification symbol FI Theme coat ゛ (Reference) H01M 8/10 H01M 8/10 (72) Inventor Eiji Eiji 1150 Hazawacho, Kanagawa-ku, Kanagawa-ku, Yokohama-shi, Kanagawa Prefecture Asahi Glass Co., Ltd. In-company F term (reference) 5H018 AA06 AS02 AS03 BB01 BB03 DD06 EE05 EE08 EE18 HH03 HH05 HH08 HH09 5H026 AA06 BB00 BB01 BB02 CX03 EE05 EE19 HH03 HH05 HH08 HH09

Claims (6)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】触媒層とガス拡散層とからなる固体高分子
型燃料電池用電極の製造方法において、カーボンクロス
の表面に撥水性カーボン層を形成した後、ホットプレス
を施し表面を平坦化してガス拡散層とし、触媒層を前記
撥水性カーボン層表面に接触させて配置することを特徴
とする固体高分子型燃料電池用電極の製造方法。
In a method for manufacturing an electrode for a polymer electrolyte fuel cell comprising a catalyst layer and a gas diffusion layer, after forming a water-repellent carbon layer on the surface of a carbon cloth, the surface is flattened by hot pressing. A method for producing an electrode for a polymer electrolyte fuel cell, comprising: forming a gas diffusion layer; and arranging a catalyst layer in contact with the surface of the water-repellent carbon layer.
【請求項2】ホットプレスの条件が、温度100〜25
0℃かつプレス圧力15〜150kg/cm2である請
求項1記載の固体高分子型燃料電池用電極の製造方法。
2. The hot pressing condition is a temperature of 100 to 25.
The method for producing an electrode for a polymer electrolyte fuel cell according to claim 1, wherein the temperature is 0 ° C and the pressing pressure is 15 to 150 kg / cm 2 .
【請求項3】カーボンクロスが100〜600μmの厚
さを有し、撥水性カーボン層が撥水性フッ素樹脂および
カーボンブラックを含有しかつ10〜100μmの厚さ
を有し、かつ前記撥水性カーボン層の成分は前記カーボ
ンクロスの厚さの3分の1を超えてはカーボンクロス中
に侵入していない請求項1又は2記載の固体高分子型燃
料電池用電極の製造方法。
3. The water-repellent carbon layer, wherein the carbon cloth has a thickness of 100 to 600 μm, the water-repellent carbon layer contains a water-repellent fluororesin and carbon black, has a thickness of 10 to 100 μm, and 3. The method for producing an electrode for a polymer electrolyte fuel cell according to claim 1, wherein the component does not penetrate into the carbon cloth more than one third of the thickness of the carbon cloth. 4.
【請求項4】撥水性カーボン層に含まれる撥水性フッ素
樹脂とカーボンブラックの混合比率が重量比で2:8〜
5:5である請求項3記載の固体高分子型燃料電池用電
極の製造方法。
4. The mixing ratio of the water-repellent fluororesin and carbon black contained in the water-repellent carbon layer is from 2: 8 to weight ratio.
The method for producing an electrode for a polymer electrolyte fuel cell according to claim 3, wherein the ratio is 5: 5.
【請求項5】カーボンクロスの表面に撥水性カーボン層
を形成した後、ホットプレスを施し表面を平坦化してガ
ス拡散層とし、該ガス拡散層の前記撥水性カーボン層側
表面に触媒層を形成したものを電極として2枚作製し、
それぞれの触媒層を内側に向けて前記2枚の電極を対向
させ、間にイオン交換膜を挟んで接合する工程により、
触媒層を前記撥水性カーボン層表面に接触させて配置す
る固体高分子型燃料電池の製造方法。
5. After forming a water-repellent carbon layer on the surface of a carbon cloth, the surface is flattened by hot pressing to form a gas diffusion layer, and a catalyst layer is formed on the surface of the gas diffusion layer on the side of the water-repellent carbon layer. Two pieces were made as electrodes using
The two electrodes face each other with the respective catalyst layers facing inward, and the two electrodes are joined with an ion exchange membrane interposed therebetween.
A method for producing a polymer electrolyte fuel cell, comprising arranging a catalyst layer in contact with the surface of the water-repellent carbon layer.
【請求項6】カーボンクロスの表面に撥水性カーボン層
を形成した後、ホットプレスを施し表面を平坦化してガ
ス拡散層とし、イオン交換膜の両面にそれぞれ触媒層を
形成し、その両外側から前記触媒層が前記撥水性カーボ
ン層表面と接するように前記ガス拡散層2枚で挟み込む
工程により、触媒層を前記撥水性カーボン層表面に接触
させて配置する固体高分子型燃料電池の製造方法。
6. After forming a water-repellent carbon layer on the surface of the carbon cloth, the surface is flattened by hot pressing to form a gas diffusion layer, and catalyst layers are formed on both surfaces of the ion exchange membrane, respectively. A method for manufacturing a polymer electrolyte fuel cell, wherein a catalyst layer is disposed in contact with the surface of the water-repellent carbon layer by sandwiching the two gas diffusion layers so that the catalyst layer is in contact with the surface of the water-repellent carbon layer.
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