JP2001216973A - Electrode and its production as well as fuel cell using the same - Google Patents

Electrode and its production as well as fuel cell using the same

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JP2001216973A
JP2001216973A JP2000024114A JP2000024114A JP2001216973A JP 2001216973 A JP2001216973 A JP 2001216973A JP 2000024114 A JP2000024114 A JP 2000024114A JP 2000024114 A JP2000024114 A JP 2000024114A JP 2001216973 A JP2001216973 A JP 2001216973A
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electrode
polymer
catalyst
conductive
carbon
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JP2000024114A
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Japanese (ja)
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Masayuki Kidai
聖幸 希代
Sadao Kojima
定雄 小嶋
Hirobumi Morikawa
博文 森川
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Toray Industries Inc
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an electrode with an electrode catalyst layer coating liquid controlled to be infiltrated into an electrode substrate when using a porous conductive sheet having a non-woven cloth structure as the electrode substrate. SOLUTION: The electrode comprises, at least, an electrode substrate and an electrode catalyst layer, the electrode substrate having the porous conductive sheet having the non-woven cloth structure, wherein a conductive intermediate layer containing, at least, an inorganic conductive material and a hydrophobic polymer is provided between the electrode catalyst layer and the electrode substrate.

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、燃料電池に用いら
れる電極とその製造方法に関するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an electrode used for a fuel cell and a method for manufacturing the same.

【0002】[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。
2. Description of the Related Art A fuel cell is a power generation device with low emission, high energy efficiency and low environmental burden. For this reason, they have been spotlighted again with the recent rise of global environmental protection. As a relatively small-scale distributed power generation facility compared to conventional large-scale power generation facilities, as a power generation device for mobile objects such as cars and ships,
It is a power generator that is expected in the future.

【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。
[0003] Fuel cells are classified into 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. Among them, polymer electrolyte fuel cells have the characteristics of lower operating temperature, shorter start-up time, higher power output, smaller size and lighter weight, strong vibration resistance, etc., compared to other fuel cells. Suitable for body power supply.

【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、電子伝導性、イオ
ン伝導性が良好なことが要求される。一方、カソード電
極では、酸化ガスが電極触媒層表面で、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
伝導性、イオン伝導性とともに、生成した水を効率よく
排出することも必要となる。
[0004] A fuel cell is constituted as a unit in which an anode electrode and a cathode electrode where 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 substrate (also referred to as a current collector) for promoting gas diffusion and collecting (supplying) electricity, and an electrode catalyst layer that actually acts as an electrochemical reaction field. For example, in an anode electrode of a polymer electrolyte fuel cell, a fuel gas reacts on a catalyst surface to generate protons and electrons, the electrons are conducted to an electrode substrate, and the protons are conducted to a proton exchange membrane of an electrolyte. Therefore, the anode electrode is required to have good gas diffusivity, electron conductivity, and ion conductivity. On the other hand, in the cathode electrode, on the surface of the electrode catalyst layer, the oxidizing gas reacts with protons conducted from the electrolyte and electrons conducted from the electrode base material to produce water. Therefore, it is necessary to efficiently discharge generated water as well as gas diffusivity, electron conductivity, and ion conductivity.

【0005】このような要求を満たすために、これまで
電極触媒層にはさまざまな検討が加えられてきた。ガス
拡散性を向上させた例として、特開平8−88007号
公報、特開平7−183035号公報、特開平6−20
3852号公報、特開平8−213027号公報、特開
平6−236762号公報、特開平6−203840号
公報などに記載の技術があり、プロトン伝導性を向上さ
せた例として、特開平4−329264号公報、特開平
7−296818号公報、特開平7−254420号公
報、特開平6−251779号公報、特開平9−245
802号公報に記載の技術などがこれまで報告されてい
る。
In order to satisfy such requirements, various studies have been made on the electrode catalyst layer. Examples of improved gas diffusivity are disclosed in JP-A-8-88007, JP-A-7-183035, and JP-A-6-20.
Japanese Patent Application Laid-Open No. 4-329264, Japanese Patent Application Laid-Open No. 8-213,027, Japanese Patent Application Laid-Open No. 6-236762, and Japanese Patent Application Laid-Open No. 6-203840 disclose techniques for improving proton conductivity. JP, JP-A-7-296818, JP-A-7-254420, JP-A-6-251779, JP-A-9-245
The technology described in Japanese Patent Publication No. 802 has been reported so far.

【0006】これらの公報には、ガス拡散性向上を目的
として多孔化電極触媒層にするために、触媒担持カーボ
ンやポリマ(プロトン伝導性向上のためにはプロトン交
換樹脂を用い、生成水の排出性向上のためにはPTF
E:ポリテトラフルオロエチレンを用いる)の粒径を大
きくした例や、プロトン伝導性向上を目的として、触媒
担持カーボンとプロトン交換樹脂を混ぜて電極触媒層を
作成した出願例、電極触媒層にプロトン交換樹脂を塗布
した後にプロトン交換膜と接合した例などが、記載され
ている。
[0006] In these publications, a catalyst-supporting carbon or a polymer (proton exchange resin is used to improve proton conductivity, and the generated water is discharged to form a porous electrode catalyst layer for the purpose of improving gas diffusivity. PTF for improved performance
E: using polytetrafluoroethylene), an example in which an electrode catalyst layer is prepared by mixing a catalyst-supporting carbon and a proton exchange resin for the purpose of improving proton conductivity, and a case in which a proton is added to the electrode catalyst layer. An example in which an exchange resin is applied and then joined to a proton exchange membrane is described.

【0007】また、電極基材(集電体)の従来技術とし
ては、特開平6−20710号公報、特開平7−326
362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。
[0007] Further, as the prior art of the electrode base material (current collector), there are Japanese Patent Application Laid-Open Nos. 6-20710 and 7-326.
No. 362 or Japanese Patent Application Laid-Open No. 7-220735 has been proposed. The current collectors disclosed therein consist of a porous carbon plate formed by binding carbon fibers of short length with carbon.

【0008】[0008]

【発明が解決しようとする課題】前述のように、電極は
電極基材と電極触媒層とから構成されるが、これらの要
求特性として、ガス拡散性、電子伝導性、イオン伝導性
とともに、生成した水を効率よく排出することが求めら
れており、特に電極基材は、ガス拡散性、電子伝導性、
排水性の点から多孔質導電シートが用いられている。こ
のような多孔質導電シートの中でも、ガス拡散性向上と
製造コスト低減のために、紙状の抄紙体、フェルトや不
織布などの、いわゆる不織構造を有する多孔質導電シー
トが用いられてきている。
As described above, an electrode is composed of an electrode substrate and an electrode catalyst layer. These required properties include gas diffusivity, electron conductivity, and ion conductivity, as well as the required properties. It is required to efficiently discharge the water, especially the electrode base material, gas diffusion, electron conductivity,
A porous conductive sheet is used from the viewpoint of drainage. Among such porous conductive sheets, a porous conductive sheet having a so-called nonwoven structure such as a paper-like paper body, a felt or a nonwoven fabric has been used in order to improve gas diffusivity and reduce manufacturing costs. .

【0009】また電極触媒層においては、前述の要求特
性に加えて、用いられる触媒が高価な貴金属であるた
め、有効に用いられる触媒量の向上を図ることも必要で
ある。特に上記のような、不織構造を有する多孔質導電
シートからなる電極基材に電極触媒層を塗布する場合に
おいては、電極基材への電極触媒層塗液の浸み込みが大
きく、この浸み込みのために有効に用いられない無駄な
触媒が多くなる原因となっていた。
In the electrode catalyst layer, in addition to the above-mentioned required characteristics, since the catalyst used is an expensive noble metal, it is necessary to improve the amount of catalyst used effectively. In particular, when the electrode catalyst layer is applied to an electrode substrate made of a porous conductive sheet having a nonwoven structure as described above, the electrode catalyst layer coating liquid greatly penetrates into the electrode substrate, and this impregnation occurs. This is a cause of an increase in useless catalysts that cannot be used effectively because of the impregnation.

【0010】燃料電池は移動体の電力供給源として期待
されているが、自動車などの大量普及には大幅なコスト
ダウンが必要である。特に電極触媒層中の触媒粒子にお
いては、貴金属が用いられるため非常に高価格であり、
この触媒量を低減させることが強く求められている。こ
のため、電極基材に浸み込んで有効に用いられない触媒
をできるだけ減らすことが必要である このような浸み
込みを抑える手法として、特表平9−501541号公
報に触媒を含まない中間層を設けることが開示されてい
る。ここでは、導電剤としてアセチレンブラックとプロ
トン導電ポリマとを含む中間層が触媒の浸み込み防止に
効果を有することが開示されている。しかしながら、プ
ロトン導電ポリマは、親水性ポリマであり水を含みやす
いためカソードでの生成水の排出に支障を来すことが懸
念される。
[0010] Fuel cells are expected as a power supply source for mobile objects, but a large reduction in cost is required for mass diffusion of automobiles and the like. In particular, the catalyst particles in the electrode catalyst layer are very expensive because noble metals are used,
There is a strong demand to reduce this amount of catalyst. For this reason, it is necessary to reduce as much as possible the amount of the catalyst that has not penetrated into the electrode base material and is not used effectively. The provision of a layer is disclosed. Here, it is disclosed that an intermediate layer containing acetylene black and a proton conductive polymer as a conductive agent has an effect of preventing permeation of a catalyst. However, since the proton conductive polymer is a hydrophilic polymer and easily contains water, there is a concern that discharge of generated water at the cathode may be hindered.

【0011】本発明は、上記課題を解決し、高性能で安
価な電極およびその製造方法を提供することを目的とす
る。
An object of the present invention is to solve the above problems and to provide a high-performance and inexpensive electrode and a method for manufacturing the same.

【0012】[0012]

【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。
Means for Solving the Problems The present invention has the following arrangement to solve the above-mentioned problems.

【0013】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、該電極基材が不
織構造を有する多孔質導電シートを有してなる電極であ
り、該電極基材と該電極触媒層との間に、少なくとも無
機導電性物質と疎水性ポリマを含む導電性中間層が設け
られてなることを特徴とする。
That is, the electrode of the present invention comprises at least
An electrode comprising an electrode substrate and an electrode catalyst layer, wherein the electrode substrate has a porous conductive sheet having a nonwoven structure, and at least between the electrode substrate and the electrode catalyst layer. A conductive intermediate layer containing an inorganic conductive substance and a hydrophobic polymer is provided.

【0014】また、本発明の電極の製造方法は、不織構
造を有する多孔質導電シートからなる電極基材上に、少
なくとも無機導電性物質を含む導電性中間層を設け、さ
らに該導電性中間層上に電極触媒層を設けることを特徴
とする。
Further, according to the method for producing an electrode of the present invention, a conductive intermediate layer containing at least an inorganic conductive substance is provided on an electrode substrate made of a porous conductive sheet having a non-woven structure, An electrode catalyst layer is provided on the layer.

【0015】また、本発明の電気化学装置および燃料電
池は上記電極が適用されてなることを特徴とする。
Further, an electrochemical device and a fuel cell according to the present invention are characterized in that the above-mentioned electrodes are applied.

【0016】さらに、本発明の移動体および自動車は上
記燃料電池を電力供給源としてなることを特徴とする。
Further, the moving object and the automobile according to the present invention are characterized in that the fuel cell is used as a power supply source.

【0017】[0017]

【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。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described.

【0018】本発明は、電極基材として、電子伝導性、
ガス拡散性そして排水性に優れる不織構造を有する多孔
質導電シートを用いる際に問題となる該基材中への触媒
の浸み込みを抑えることを目的とし、そのために電極基
材と電極触媒層の間に少なくとも無機導電性物質と疎水
性ポリマを含む導電性中間層を設けることを特徴した電
極を提供するものである。
According to the present invention, there are provided an electrode base material having electronic conductivity,
The purpose of the present invention is to suppress the infiltration of the catalyst into the substrate, which is a problem when using a porous conductive sheet having a nonwoven structure having excellent gas diffusion and drainage properties. An electrode characterized by providing a conductive intermediate layer containing at least an inorganic conductive substance and a hydrophobic polymer between layers.

【0019】本発明における導電性中間層に含まれる無
機導電性物質としては、その形態は繊維状あるいは粒子
状など特に限定されないし、何れとも区別しがたい形状
でも良いし、或いはそれらの混合物であっても良い。例
えば、繊維状形態においては、繊維長は好ましくは20
μm〜20mm(より好ましくは20μm〜3mm)、
直径は好ましくは3μm〜15μm(より好ましくは5
μm〜10μm)である。繊維長について、前記数値範
囲の下限値を下回る炭素短繊維を作成することは困難で
あり、前記数値範囲の上限値を上回ると導電性中間層の
作成が困難となり、好ましくないことがある。直径につ
いては、前記数値範囲の下限値を下回ると導電性繊維の
製造が困難となり、前記数値範囲の上限値を上回ると導
電性中間層の製造が困難となり、好ましくないことがあ
る。また、粒子状形態においては、粒径は好ましくは1
0nm〜10μm(より好ましくは20nm〜100n
m)である。粒径は、前記数値範囲の下限値を下回ると
導電性粒子の製造が困難となり、前記数値範囲の上限値
を上回ると導電性中間層の製造が困難となり、好ましく
ないことがある。
The form of the inorganic conductive substance contained in the conductive intermediate layer in the present invention is not particularly limited, such as fibrous or particulate, and may be in any shape that cannot be distinguished from any of them, or may be a mixture thereof. There may be. For example, in a fibrous form, the fiber length is preferably 20
μm to 20 mm (more preferably 20 μm to 3 mm),
The diameter is preferably 3 μm to 15 μm (more preferably 5 μm
μm to 10 μm). With respect to the fiber length, it is difficult to produce short carbon fibers having a value lower than the lower limit of the numerical range, and if the fiber length exceeds the upper limit of the numerical range, it becomes difficult to prepare the conductive intermediate layer, which may be undesirable. If the diameter is below the lower limit of the above numerical range, the production of the conductive fiber becomes difficult, and if it exceeds the upper limit of the above numerical range, the production of the conductive intermediate layer becomes difficult, which is not preferable. In the particulate form, the particle size is preferably 1
0 nm to 10 μm (more preferably 20 nm to 100 n
m). If the particle size is below the lower limit of the above numerical range, it becomes difficult to produce conductive particles, and if it exceeds the upper limit of the above numerical range, it becomes difficult to produce the conductive intermediate layer, which may be undesirable.

【0020】また、無機導電性物質の素材としては、種
々の黒鉛質や炭素質の炭素材、あるいは金属や半金属が
挙げられるが特に限定されるものではない。本発明の電
極を電気化学装置に用いる場合には、無機導電性物質と
しては、耐食性の観点から炭素材を用いることが好まし
いものである。
Examples of the material of the inorganic conductive substance include various graphitic and carbonaceous carbon materials, metals and metalloids, but are not particularly limited. When the electrode of the present invention is used in an electrochemical device, it is preferable to use a carbon material as the inorganic conductive material from the viewpoint of corrosion resistance.

【0021】このような炭素材としては、オイルファー
ネスブラック、アセチレンブラック、サーマルブラッ
ク、チャネルブラックなどのカーボンブラックが、電子
伝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88
0、ブラックパールズ1100、ブラックパールズ13
00、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#3
150、#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。
As such a carbon material, carbon black such as oil furnace black, acetylene black, thermal black and channel black is preferable from the viewpoint of the electron conductivity and the specific surface area. Oil furnace black includes Vulcan XC-72, Vulcan P, Black Pearls 88 manufactured by Cabot Corporation.
0, Black Pearls 1100, Black Pearls 13
00, Black Pearls 2000, Legal 400, Ketchen Black EC manufactured by Lion, # 3 manufactured by Mitsubishi Chemical
150, # 3250, etc., and acetylene black includes Denka Black manufactured by Denki Kagaku Kogyo KK

【0022】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焼
成体、例えば、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。
In addition to carbon black, there are fired bodies obtained from organic compounds such as natural graphite, pitch, coke, polyacrylonitrile, phenol resin and furan resin, for example, artificial graphite and carbon. These carbon materials may be in the form of fibers in addition to particles. It is also possible to use carbon materials obtained by post-processing these carbon materials.

【0023】上記の炭素材の中でも、導電性中間層の電
気抵抗が低くなるという点で、キャボット社製バルカン
XC−72、ライオン社製ケッチェンブラックEC、電
気化学工業社製デンカブラック、東レ(株)製トレカチ
ョップファイバー、東レ(株)製トレカミルドファイバ
ー、あるいはこれらの混合物が好ましく用いられるもの
である。
Among the above carbon materials, Vulcan XC-72 manufactured by Cabot, Ketchen Black EC manufactured by Lion, Denka Black manufactured by Denki Kagaku Kogyo, Toray ( Torayca Chop Fibers manufactured by Toray Industries, Inc., Torayca Milled Fibers manufactured by Toray Industries, Inc., or a mixture thereof is preferably used.

【0024】本発明における導電性中間層には、無機導
電性物質間の結着を目的としてポリマが含まれるが、こ
のポリマは疎水性ポリマである。導電性中間層に、親水
性ポリマを用いると、カソードで生成される水が電極触
媒層、導電性中間層、あるいは電極基材で詰まるフラッ
ディング現象を起こしやすくなる。導電性中間層に含ま
れるポリマが疎水性ポリマであれば、このフラッディン
グを起こしにくくなる。
The conductive intermediate layer in the present invention contains a polymer for the purpose of binding between inorganic conductive substances, and this polymer is a hydrophobic polymer. When a hydrophilic polymer is used for the conductive intermediate layer, a flooding phenomenon in which water generated at the cathode is clogged with the electrode catalyst layer, the conductive intermediate layer, or the electrode base material is likely to occur. If the polymer contained in the conductive intermediate layer is a hydrophobic polymer, the flooding is unlikely to occur.

【0025】このような疎水性ポリマとして、特に限定
されるものではないが、無機導電性物質を良く分散し、
燃料電池内の酸化−還元雰囲気で劣化しないポリマが好
ましい。このようなポリマとして、フッ素原子を有する
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、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、パ
ーフルオロアルキルビニルエーテル−テトラフルオロエ
チレン共重合体(PFA)、ヘキサフルオロプロピレン
−テトラフルオロエチレン共重合体(FEP)、エチレ
ン−テトラフルオロエチレン共重合体(ETFE)、ポ
リクロロトリフルオロエチレン(CTFE)、ポリフッ
化ビニリデン(PVDF)、ヘキサフルオロプロピレン
−フッ化ビニリデン共重合体、ポリフッ化ビニル(PV
F)、あるいはこれらの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。また、上記のフッ素原子を
有するポリマ以外にも、スルホン酸基、リン酸基、カル
ボキシル基、水酸基、アミノ基などの親水性の官能基、
アミド結合、エステル結合などを実質上有していないポ
リマも用いることが可能である。前記の実質上有してい
ないとは、本発明の効果に悪影響を及ぼすほど疎水性を
低下させる程度まで、親水性の官能基等を有していない
ことである。特に限定されるものではないが、例えば、
前記の親水性の官能基ならば、モノマユニット比率とし
て疎水性モノマユニット/親水性モノマユニットが好ま
しくは0.1以下(より好ましくは0.05以下)なら
ば、共重合乃至は混合しても大凡差し支えない。 これ
らの疎水性ポリマが、導電性中間層に含まれる割合は無
機導電性物質に依存するが、重量比率で0.5〜70%
の範囲で含まれることが好ましく、より好ましくは1〜
50%、さらにより好ましくは、5〜40%である。疎
水性ポリマの量が多い場合には、電気抵抗が増大して電
極性能が低下する。一方、疎水性ポリマの量が少ない場
合、無機導電性物質と電極基材の結着力が低下し、導電
性中間層が剥離あるいは脱落する。
As such a hydrophobic polymer, although not particularly limited, an inorganic conductive substance is well dispersed,
A polymer that does not degrade in an oxidation-reduction atmosphere in a fuel cell is preferred. Such a polymer includes a polymer having a fluorine atom, and is not particularly limited. For example, polytetrafluoroethylene (PTFE), perfluoroalkyl vinyl ether-tetrafluoroethylene copolymer (PFA), hexa Fluoropropylene-tetrafluoroethylene copolymer (FEP), ethylene-tetrafluoroethylene copolymer (ETFE), polychlorotrifluoroethylene (CTFE), polyvinylidene fluoride (PVDF), hexafluoropropylene-vinylidene fluoride copolymer Coalescence, polyvinyl fluoride (PV
F) or a copolymer of these monomer units with other monomers such as ethylene and styrene, and further, a blend and the like can also be used. Further, in addition to the above-mentioned polymer having a fluorine atom, a sulfonic acid group, a phosphoric acid group, a carboxyl group, a hydroxyl group, a hydrophilic functional group such as an amino group,
It is also possible to use a polymer having substantially no amide bond, ester bond or the like. The expression "substantially does not have" means that the compound does not have a hydrophilic functional group or the like to such an extent that the hydrophobicity is reduced so as to adversely affect the effect of the present invention. Although not particularly limited, for example,
In the case of the above-mentioned hydrophilic functional group, if the ratio of the monomer units is preferably a hydrophobic monomer unit / hydrophilic monomer unit of preferably 0.1 or less (more preferably 0.05 or less), copolymerization or mixing is possible. No problem. The proportion of these hydrophobic polymers contained in the conductive intermediate layer depends on the inorganic conductive substance, but is 0.5 to 70% by weight.
Is preferably included in the range of, more preferably 1 to
50%, even more preferably 5-40%. If the amount of the hydrophobic polymer is large, the electric resistance increases and the electrode performance decreases. On the other hand, when the amount of the hydrophobic polymer is small, the binding force between the inorganic conductive substance and the electrode substrate decreases, and the conductive intermediate layer peels or falls off.

【0026】本発明の導電性中間層には、上述の無機導
電性物質やポリマに加えて、種々の添加物を用いること
が可能である。このような添加物としては、特に限定さ
れるものではないが、界面活性剤、アルコール類、エス
テル類などが挙げられ、これらは導電性中間層を電極基
材に塗布する際の塗布性能向上に役立つものである。
In the conductive intermediate layer of the present invention, various additives can be used in addition to the above-mentioned inorganic conductive substance and polymer. Such additives include, but are not particularly limited to, surfactants, alcohols, esters, and the like, which are used to improve the coating performance when applying the conductive intermediate layer to the electrode substrate. It is useful.

【0027】本発明の導電性中間層を、不織構造を有す
る多孔質導電性シート上に設けるには、該中間層を形成
するための無機導電性物質と疎水性ポリマーを含む塗液
を調整(両者混合しても良いし、それぞれ別個の塗液と
しても良いが、好ましくは前者)し、この塗液を多孔質
導電性シート上に塗布、乾燥することによって行われ
る。塗布方法としては、塗液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。無機導電性物質と疎水性ポリマの塗液は、
ポリマ種、塗布方法に応じた塗液粘度、固形分、あるい
は溶媒が用いられ、特に限定されるものではない。疎水
性ポリマとしてPTFE、PFA、FEPなどを用いる
際には、これらポリマを分散した水あるいは種々の溶媒
のポリマ分散液を用い、PVDFなどの溶解可能なポリ
マにおいてはポリマ溶液を用いる。無機導電性物質と疎
水性ポリマを溶媒に分散あるいは溶解する順序は特に限
定されるものではないが、予め疎水性ポリマを溶媒に分
散あるいは溶解した液を作成し、その後に、無機導電性
物質を分散する方が、分散性の良好な塗液が得られると
いう点で好ましい。
In order to provide the conductive intermediate layer of the present invention on a porous conductive sheet having a nonwoven structure, a coating liquid containing an inorganic conductive substance and a hydrophobic polymer for forming the intermediate layer is prepared. (The two may be mixed, or each may be a separate coating liquid, preferably the former.) The coating liquid is applied on a porous conductive sheet and dried. As the coating method, a coating method according to the viscosity or solid content of the coating liquid is selected, and it is not particularly limited. However, a knife coater, a bar coater, a spray, a dip coater, a spin coater, a roll coater, a die coater A general coating method such as a tar coater or a curtain coater is used. The coating liquid of the inorganic conductive substance and the hydrophobic polymer is
A coating liquid viscosity, a solid content, or a solvent according to a polymer type and a coating method is used, and is not particularly limited. When PTFE, PFA, FEP, or the like is used as the hydrophobic polymer, a polymer dispersion of water or various solvents in which these polymers are dispersed is used, and a polymer solution is used for a soluble polymer such as PVDF. The order in which the inorganic conductive substance and the hydrophobic polymer are dispersed or dissolved in the solvent is not particularly limited, but a liquid in which the hydrophobic polymer is dispersed or dissolved in the solvent is prepared in advance, and then the inorganic conductive substance is dispersed. Dispersing is preferable in that a coating liquid having good dispersibility can be obtained.

【0028】本発明の導電性中間層の厚さは、電極基材
への塗液の浸み込み易さと要求される電極性能によって
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。用いられる電極基材の空孔率が高く、塗液が浸み
込みやすい場合には厚く塗布し、塗液の浸み込みが少な
い場合には薄く塗布する。一般的には、1〜100μm
である。導電性中間層の厚さが薄すぎる場合、その上に
電極触媒層を塗布する際に電極触媒塗液が浸み込んでし
まう。また、導電性中間層が厚すぎる場合、電極触媒層
へのガス透過性や水の透過性を阻害するため、電極性能
が低下する。
The thickness of the conductive intermediate layer of the present invention should be appropriately determined according to the ease of penetration of the coating liquid into the electrode substrate and the required electrode performance, and is not particularly limited. When the porosity of the electrode substrate used is high and the coating liquid easily penetrates, the coating is applied thick, and when the penetration of the coating liquid is small, the coating is applied thinly. Generally, 1 to 100 μm
It is. When the thickness of the conductive intermediate layer is too thin, the electrode catalyst coating liquid permeates when the electrode catalyst layer is applied thereon. On the other hand, if the conductive intermediate layer is too thick, gas permeability and water permeability to the electrode catalyst layer are impaired, so that the electrode performance is reduced.

【0029】本発明のおける導電性中間層は、無機導電
性物質を含むことを特徴とするが、中間層の構造などは
特に限定されるものではない。ただし、電子伝導性とガ
ス拡散性および排水性を良好にするためには、多孔質構
造を有することは有効な実施態様である。特に無機導電
性物質−疎水性ポリマ複合体からなる三次元網目微多孔
質構造とすることはさらに好ましい実施態様である。す
なわち、無機導電性物質−疎水性ポリマ複合体は、無機
導電性粒子と疎水性ポリマが良好に分散された複合体で
ある。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、無機導電性物質−疎水性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。
The conductive intermediate layer according to the present invention is characterized by containing an inorganic conductive substance, but the structure of the intermediate layer is not particularly limited. However, it is an effective embodiment to have a porous structure in order to improve electron conductivity, gas diffusivity and drainage. In particular, a three-dimensional network microporous structure composed of an inorganic conductive substance-hydrophobic polymer composite is a further preferred embodiment. That is, the inorganic conductive substance-hydrophobic polymer composite is a composite in which the inorganic conductive particles and the hydrophobic polymer are well dispersed. This composite is characterized in that it has a three-dimensional network microporous structure. In addition, "3D network microporous structure"
The term “state” refers to a state in which the inorganic conductive substance-hydrophobic polymer composite has a three-dimensionally connected three-dimensional network structure.

【0030】この無機導電性物質−疎水性ポリマ複合体
の三次元網目微多孔質構造は、その微多孔径が0.05
〜5μmであることが好ましく、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(S
EM)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。後述の湿式凝固法によって
製造された場合、微多孔質構造の導電性中間層は、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。
The three-dimensional network microporous structure of the inorganic conductive substance-hydrophobic polymer composite has a microporous diameter of 0.05
To 5 μm, more preferably 0.1 μm.
1 to 1 μm. The microporous diameter is determined by scanning electron microscope (S
EM) or the like, the average of 20 or more, preferably 100 or more, can be obtained from a photograph of the surface, and usually 100 can be measured. When manufactured by the wet solidification method described below, the conductive intermediate layer having a microporous structure preferably has an average of as many pore diameters as possible because the distribution of the microporous diameter is wide.

【0031】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、導電性中間層全体積から無機
導電性物質−疎水性ポリマ複合体の占める体積を減じた
ものを導電性中間層全体積で除した百分率(%)であ
る。導電性中間層は、電極基材に塗液を塗布した後に湿
式凝固を行うが、導電性中間層の空孔率を単独で求める
ことが困難な場合には、電極基材の空孔率を予め求めて
おき、この基材と導電性中間層とを含む空孔率を求めた
後に、導電性中間層単独での空孔率を求めることも可能
である。
The porosity of the three-dimensional network microporous structure is 10
It is preferably about 95%. More preferably 50 to
90%. The porosity is a percentage (%) obtained by subtracting the volume occupied by the inorganic conductive substance-hydrophobic polymer composite from the total volume of the conductive intermediate layer and dividing by the total volume of the conductive intermediate layer. The conductive intermediate layer is subjected to wet coagulation after applying the coating liquid to the electrode substrate, but when it is difficult to determine the porosity of the conductive intermediate layer alone, the porosity of the electrode substrate is determined. It is also possible to determine the porosity including the base material and the conductive intermediate layer in advance, and then determine the porosity of the conductive intermediate layer alone.

【0032】三次元網目微多孔質構造を有する導電性中
間層は、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、かつ電子伝導性も良好である。従来の多孔化
では、無機導電性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無機導電性物質間の
接触抵抗が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、無機導電性物
質を含んだ疎水性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。
The conductive intermediate layer having a three-dimensional network microporous structure has a high porosity, good gas diffusivity, good discharge of generated water, and good electron conductivity. In the conventional porous method, the inorganic conductive particle diameter and the particle diameter of the added polymer are increased, and pores are formed by using a pore-forming agent. The contact resistance between the conductive materials increases. On the other hand, in the three-dimensional network microporous structure formed by the wet solidification method, the hydrophobic polymer composite containing the inorganic conductive substance is in a three-dimensional network, so electrons can easily conduct through this polymer composite. In addition, because of the microporous structure, gas diffusivity and generated water discharge are excellent.

【0033】三次元網目微多孔質構造を有する導電性中
間層においては、疎水性ポリマとしては、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が好ましい。これらの疎水性ポ
リマは、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
目微多孔質構造が得られる。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。
In the conductive intermediate layer having a three-dimensional network microporous structure, the hydrophobic polymer is preferably polyvinylidene fluoride (PVDF) or hexafluoropropylene-vinylidene fluoride copolymer. These hydrophobic polymers can obtain a three-dimensional network microporous structure by a wet coagulation method using an aprotic polar solvent and a protic polar solvent or the like as a coagulating solvent. Solvents for these polymers include N-methylpyrrolidone (NMP), dimethylformamide (DMF), dimethylacetamide (DMAC),
Examples include propylene carbonate (PC) and dimethylimidazolidinone (DMI). Examples of the coagulating solvent include water, lower alcohols such as methanol, ethanol, and isopropanol; esters such as ethyl acetate and butyl acetate; Various group-based or halogen-based organic solvents are used.

【0034】三次元網目微多孔質構造を有する導電性中
間層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、無機導電性物質−疎水性ポリ
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、無機導電性物質−疎水性ポ
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。無機導電性物質−疎水性ポリマ溶液組成物は、疎
水性ポリマ溶液中に無機導電性物質が均一に分散したも
のである。分散状態が悪い場合には、湿式凝固の際に、
無機導電性物質と疎水性ポリマとが複合体を形成するこ
とができず、ポリマのみが三次元網目微多孔質構造を有
することになり、充分な性能が得られない。
As a method for producing the conductive intermediate layer having a three-dimensional network microporous structure, a method using a wet solidification method is preferable. In this wet coagulation method, after applying an inorganic conductive substance-hydrophobic polymer solution composition, this coating layer is brought into contact with a coagulation solvent for the polymer to coagulate and precipitate the inorganic conductive substance-hydrophobic polymer solution composition. Solvent extraction is performed simultaneously. The inorganic conductive substance-hydrophobic polymer solution composition is one in which the inorganic conductive substance is uniformly dispersed in the hydrophobic polymer solution. If the dispersion state is bad, during wet coagulation,
The inorganic conductive substance and the hydrophobic polymer cannot form a composite, and only the polymer has a three-dimensional network microporous structure, and sufficient performance cannot be obtained.

【0035】三次元網目微多孔質構造を有する導電性中
間層を製造する際の、塗液の基材への塗布方法として
は、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。また、
無機導電性物質−疎水性ポリマ複合体を湿式凝固する際
の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、などの方法を例示
することができる。
The method of applying the coating solution to the substrate when producing the conductive intermediate layer having a three-dimensional network microporous structure is not particularly limited, but may be a knife coater, a bar coater, or the like. General coating methods such as spray, dip coater, spin coater, roll coater, die coater, curtain coater and the like are used. Also,
The method of contacting the inorganic conductive substance-hydrophobic polymer composite with the coagulation solvent during wet coagulation is not particularly limited, but the base material is immersed in the coagulation solvent, and only the coating layer is formed of the coagulation solvent. Examples of the method include contacting with a liquid surface, showering or spraying a solidified solvent on a coating layer, and the like.

【0036】本発明に用いられる電極基材は、不織構造
を有する多孔質導電シートを有してなるものである。不
織構造とは、織物、編み物、組み物、レースなどのよう
に繊維が規則的な構造を有しておらず、抄紙体、フェル
ト、不織布などのように繊維が不規則な構造を有してい
るものを云う。抄紙体は、繊維あるいは粒子とバインダ
ーとを溶解または分散した液を用い、これを紙抄きの原
理で網の上にすくい上げることにより得られる、薄く平
らな紙状の構造体である。抄紙体が短繊維を用いるのに
対し、長繊維を用いてこの繊維同士を絡めることにより
得られるのがフェルトや不織布である。かぎ針状のもの
で長繊維を引っかけて絡めたのがフェルト、空気流や水
流で絡めたものが不織布となる。これらの抄紙体、フェ
ルト、不織布いずれも不規則に繊維同士が絡まっている
のが特徴である。これに対して、織物や編み物などは規
則的な構造であるため、厚みムラが生じやすい。電極基
材としては、ガス拡散性と電気抵抗とを両立させるため
に多孔質導電シートであり、なかでも抄紙体、フェル
ト、不織布などのように繊維同士が不規則に絡まり合っ
た不織構造が厚みムラが少ないという点から好ましいも
のとなる。
The electrode substrate used in the present invention has a porous conductive sheet having a non-woven structure. Non-woven structure means that the fibers do not have a regular structure such as woven fabric, knitting, braid, lace, etc., but have an irregular fiber structure such as paper, felt, non-woven fabric, etc. Say what is. The papermaking body is a thin and flat paper-like structure obtained by using a solution in which fibers or particles and a binder are dissolved or dispersed and scooping it up on a net according to the principle of papermaking. Felts and nonwoven fabrics are obtained by entanglement of these fibers with long fibers while using short fibers for the papermaking body. A crocheted fiber is made of felt and entangled with air flow or water flow when a long fiber is hooked and entangled. All of these papermaking bodies, felts, and nonwoven fabrics are characterized by irregularly entangled fibers. On the other hand, a woven fabric or a knitted fabric has a regular structure, so that thickness unevenness is likely to occur. The electrode base material is a porous conductive sheet for achieving both gas diffusivity and electric resistance, and among them, a nonwoven structure in which fibers are irregularly entangled with each other, such as a papermaking body, felt, nonwoven fabric, etc. This is preferable in that the thickness unevenness is small.

【0037】このような不織構造を有する多孔質導電シ
ートとして、導電性無機物質を主たる構成材とする多孔
質導電シートなどが挙げられ、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、電極性能の点から繊維状の形態の無機導電性
繊維が好ましい。なかでも、燃料電池などの電気化学装
置に用いる場合、腐食と電気抵抗の点から炭素繊維、特
に炭素短繊維を用いた不織構造を有する多孔質導電シー
トが好ましいものであり、たとえば、東レ(株)製カー
ボンペーパーTGPシリーズ、SOシリーズなどが好ま
しく用いられる。炭素繊維の素材については後述する
が、ポリアクリロニトリル、ピッチ、あるいは低沸点有
機化合物を原料とするものが好ましい。
Examples of such a porous conductive sheet having a nonwoven structure include a porous conductive sheet containing a conductive inorganic material as a main constituent material. The conductive inorganic material includes a fired body made of polyacrylonitrile. And carbon materials such as graphite and expanded graphite, stainless steel, molybdenum, titanium and the like. The form of the conductive inorganic material is not particularly limited, such as fibrous or particulate, but from the viewpoint of electrode performance, a fibrous inorganic conductive fiber is preferred. Above all, when used in an electrochemical device such as a fuel cell, a porous conductive sheet having a nonwoven structure using carbon fibers, particularly short carbon fibers, is preferable from the viewpoint of corrosion and electric resistance. Carbon paper TGP series and SO series manufactured by Co., Ltd. are preferably used. Although the material of the carbon fiber will be described later, it is preferable to use polyacrylonitrile, pitch, or a low-boiling organic compound as a raw material.

【0038】本発明の電極基材は、厚み方向に2.9M
Paの一様な面圧を加えたときの厚みが0.02〜0.
3mmであるのが好ましい。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ーのガス流路に電極基材が埋
没し、面方向への拡散・透過性が低くなったり、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。
The electrode substrate of the present invention has a thickness of 2.9M in the thickness direction.
When a uniform surface pressure of Pa is applied, the thickness is 0.02 to 0.
It is preferably 3 mm. More preferably 0.04 to
0.2 mm. If the thickness is less than 0.02 mm, the electrode substrate will be buried in the gas flow path of the separator when used in a fuel cell, and the diffusion and permeability in the plane direction will be low, or the strength will be weak and workability will be poor. If it is thicker than 0.3mm,
The electric resistance in the thickness direction increases. In addition, the thickness is sandwiched between two glassy carbon plates having a uniform thickness and a smooth surface by pressing the electrode substrate with a uniform surface pressure of 2.9 MPa, and when the electrode substrate is not sandwiched. It is determined from the difference between the upper and lower indenters at that time. In measuring the interval between the indenters, the interval between the indenters is measured by a micro-displacement detector at both ends sandwiching the center point of the indenter, and the interval between the indenters is calculated as an average value of the intervals between both ends. In order to make the surface pressure uniform, one of the indenters is received by a ball seat, and the angle between the pressing surfaces of the upper and lower indenters is made variable.

【0039】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に含まれる炭素繊維
紙の、13kPaの面圧で測定した厚みは0.1〜2m
mが好ましく、0.2〜1.2mmがより好ましい。2
mmを超えると炭素繊維紙が嵩高になり、炭素短繊維が
厚み方向を向いたり、炭素繊維紙の強度が弱くなる。
0.1mm未満の厚みにするためには、多量の高分子物
質によって炭素短繊維の結着を強固に行う必要がでてく
る。
When a uniform surface pressure of 2.9 MPa is applied in the thickness direction, the thickness of the carbon fiber paper contained in the electrode base material having the above-mentioned thickness measured at a surface pressure of 13 kPa is 0.1 to 2 m.
m is preferable, and 0.2 to 1.2 mm is more preferable. 2
If it exceeds mm, the carbon fiber paper becomes bulky, the short carbon fibers face the thickness direction, or the strength of the carbon fiber paper becomes weak.
In order to reduce the thickness to less than 0.1 mm, it is necessary to strongly bind short carbon fibers with a large amount of a polymer substance.

【0040】電極基材の目付としては10〜220g/
2であるのが好ましい。より好ましくは20〜120
g/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、電極触媒層、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
電極触媒層に埋没して面方向への拡散・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。
The basis weight of the electrode substrate is 10 to 220 g /
m 2 is preferred. More preferably, 20 to 120
g / m 2 . If it is less than 10 g / m 2 , the strength of the electrode substrate will be low. In addition, when the polymer electrolyte membrane, the electrode catalyst layer, and the electrode base material are integrated or assembled into a battery, the electrode base material becomes thin and buried in the electrode catalyst layer, resulting in insufficient diffusion and transmission effects in the surface direction. Become. If it exceeds 220 g / m 2 , the electrode base material becomes thicker when assembled into a battery, and the resistance increases.

【0041】電極基材の密度は、厚み方向に2.9MP
aの一様な面圧を加えたときに0.3〜0.8g/cm
3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。
The density of the electrode substrate is 2.9MP in the thickness direction.
0.3 to 0.8 g / cm when a uniform surface pressure of a is applied
Preferably it is 3 . More preferably 0.35
0.7 g / cm 3 , and more preferably 0.4 to
0.6 g / cm 3 . The density of the electrode substrate when a uniform surface pressure of 2.9 MPa is applied in the thickness direction is determined by the basis weight of the electrode substrate and the electrode substrate when a uniform surface pressure of 2.9 MPa is applied in the thickness direction. Is calculated from the thickness. 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 3. If it is larger than this, the porosity decreases and the diffusion and permeability become insufficient. On the other hand, when it is smaller than 0.3 g / cm 3 , the resistance value in the thickness direction increases.

【0042】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。
The electrode substrate has a pressure loss of 98 Pa (10 mmAq) when air of 14 cm / sec is transmitted in the thickness direction in a state where the pressure is not applied by the surface pressure in the thickness direction.
The following is preferable in view of gas diffusibility of the electrode substrate.
More preferred is 29 Pa (3 mmAq) or less,
More preferably, it is 9.8 Pa (1 mmAq) or less.

【0043】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、シートが燃料電池集電
体とされる高次加工において、シートが破損する可能性
が増すという問題がある。
The tensile strength of the electrode substrate was 0.49 N /
The width is preferably 10 mm or more, more preferably 1.96 N / 10 mm or more, and even more preferably 4.9 N / 10 mm or more. When the tensile strength is low, there is a problem that the possibility of breakage of the sheet increases in high-order processing in which the sheet is used as a fuel cell current collector.

【0044】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。
[0044] In addition to the above electrode substrate,
Including a paper-like sheet obtained by binding inorganic conductive fibers oriented in a random direction in a substantially two-dimensional plane with a polymer substance, the length of the inorganic conductive fibers is at least 3 mm
In addition, a porous conductive sheet having a thickness of 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 oriented substantially in a two-dimensional plane is as follows.
This means that the inorganic conductive fibers lie roughly to form one surface. This makes it possible to prevent a short circuit with the counter electrode due to the inorganic conductive fiber and breakage of the inorganic conductive fiber.

【0045】多孔質導電シートの強度やハンドリング性
を高くしたり、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
は多孔質導電シートの厚みの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、多孔質導電シ
ートの破壊や、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。
In order to increase the strength and handleability of the porous conductive sheet and to orient the inorganic conductive fiber substantially in a two-dimensional plane, the length of the inorganic conductive fiber is at least 3 mm or more. It is preferably at least 4.5 mm, more preferably at least 6 mm. If it is less than 3 mm, it is difficult to maintain strength and handling properties. Further, in order to orient the inorganic conductive fibers in a random direction substantially in a two-dimensional plane, the length of the inorganic conductive fibers is at least 5 times, preferably at least 8 times the thickness of the porous conductive sheet, More preferably, it is 12 times or more. If it is less than five times, it is difficult to secure the orientation in two dimensions. The upper limit of the length of the inorganic conductive fiber is preferably 30 mm or less, more preferably 15 mm or less, and still more preferably 8 mm or less in order to substantially orient in a random direction in a two-dimensional plane. If the inorganic conductive fibers are too long, poor dispersion is likely to occur, and many fibers may remain in a bundle. In such a case, the porosity of the bundle-shaped portion is low, and the thickness at the time of pressurization is large, so high pressure is applied at the time of pressurization. Problems, such as a thin layer, are likely to occur.

【0046】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ため、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。
Further, the form of the inorganic conductive fiber is preferably a straight line so that a short circuit with the counter electrode by the fiber can be more completely prevented. Here, the linear inorganic conductive fiber refers to a linearity with respect to the length L when a length L (mm) in a length direction of the fiber is taken in a state where an external force for bending the inorganic conductive fiber is removed. Is measured from the deviation Δ (mm)
/ L is about 0.1 or less. On the other hand, non-linear fibers have the disadvantage that they tend to be oriented in a three-dimensional direction when oriented in a random direction in a substantially two-dimensional plane.

【0047】多孔質導電シートにおいて、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、湿式法が好ましい。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。その他、低沸点有機化合物を原料とする炭素繊
維が挙げられ、例えば、ベンゼン、ナフタレン、クレオ
トール油等が例示できる。しかしながら、これらのなか
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。
As a method for orienting the inorganic conductive fibers in a porous conductive sheet in a random direction in a substantially two-dimensional plane, a wet method of dispersing the inorganic conductive fibers in a liquid medium to form a paper is used. Alternatively, there is a dry method in which inorganic conductive fibers are dispersed in the air and accumulated. 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 is preferred. Examples of the carbon fiber include polyacrylonitrile (PAN) -based carbon fiber, phenol-based carbon fiber, pitch-based carbon fiber, rayon-based carbon fiber, and the like. Other examples include carbon fibers made of low-boiling organic compounds as raw materials, such as benzene, naphthalene, and creitol oil. However, among these, PAN-based carbon fibers are preferred. PAN-based carbon fibers have higher compressive strength and tensile elongation at break than pitch-based carbon fibers, and are less likely to break. This is considered to be due to a difference in crystallization of carbon constituting the carbon fiber. In order to obtain carbon fibers that are difficult to break, the heat treatment temperature of the carbon fibers should be 2,
500 ° C. or lower is preferable, and 2,000 ° C. or lower is more preferable.

【0048】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炭素繊維紙を含
む電極基材は、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 R
7601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)≧2.4×1
-3である。
The short carbon fiber used in the electrode substrate of the present invention satisfies the following expression in relation to the diameter D (μm), the tensile strength σ (MPa), and the tensile modulus E (MPa). Good to be. This is because an electrode substrate including carbon fiber paper made of such short carbon fibers is hard to break. That is, the shorter carbon fibers have a smaller diameter, a higher tensile strength, and a lower tensile modulus, the harder the carbon short fibers are to be broken, and the more difficult the electrode substrate is to be broken when pressurized. .sigma ./ (E.times.D) .gtoreq.0.5.times.10.sup.- 3 where the tensile strength and tensile modulus of the carbon fiber are JIS R
It is measured according to 7601. In the case of a flat carbon fiber, the average value of the major axis (a) and the minor axis (b) ((a + b) /
Let 2) be the diameter. When different types of short carbon fibers are mixed, D, σ, and E are each used as a weighted average value. Preferably, σ / (E × D) ≧ 1.1 × 10
-3 , more preferably σ / (E × D) ≧ 2.4 × 1
0 -3 .

【0049】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。
The tensile elongation at break of short carbon fibers is preferably 0.7% or more, more preferably 1.2% or more, and further preferably 1.8%, because of the strength of the electrode substrate.
That is all. The tensile elongation at break is a value obtained by dividing the tensile strength (σ) by the tensile modulus (E).

【0050】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。
Further, since 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 more preferably 2,000 MPa or more. Is more preferred.

【0051】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、一体化時に電極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。
The diameter of the inorganic conductive fiber used for the electrode substrate is preferably 20 μm or less. More preferably, it is 12 μm or less, and still more preferably, 8 μm or less. On the surface of the electrode substrate, the diameter of the inorganic conductive fiber is 5 to 5.
A 10 times diameter void is observed. This gap increases as the fiber diameter increases. The conductive intermediate layer of the present invention suppresses a decrease in electrode performance due to the electrode catalyst layer penetrating into the void. If the gap is too large, the conductive intermediate layer needs to be thickened, which impairs gas permeability and water dischargeability. Therefore, the fiber diameter is preferably smaller.
Further, the thinner the inorganic conductive fiber is, the harder it is to break when pressurized in the thickness direction. On the other hand, if the diameter of the inorganic conductive fiber is too small, it is difficult for the electrode catalyst layer to penetrate into the electrode base material during integration, so that the fiber diameter is preferably 2 μm or more. When fibers having different diameters are mixed, the diameter is determined by weight average.

【0052】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、15
μΩ・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。
The volume resistivity of the inorganic conductive fiber used for the electrode base material is preferably 200 μΩ · m or less, more preferably 50 μΩ · m or less, to reduce the resistance of the electrode base material.
μΩ · m or less is more preferable. The volume resistivity of the inorganic conductive fiber is measured according to JIS R7601. When the fiber length specified by the measurement prescription cannot be obtained, the measurement is performed using the obtained fiber length.

【0053】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0.2以下、さらに好ましくは0.1以下であ
るものがよい。湿式抄紙法によって炭素繊維紙を得る場
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を超えると均一な炭素繊維紙を得ることが
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。
When carbon fibers are used for the electrode substrate, the ratio of the number of oxygen atoms to the number of carbon atoms on the surface (oxygen atom number / carbon atom number) by X-ray photoelectron spectroscopy is 0.35 or less, preferably 0%. .2, more preferably 0.1 or less. This is because, when a carbon fiber paper is obtained by a wet papermaking method, if the atomic ratio of oxygen atoms to carbon atoms is high, dispersion of short carbon fibers becomes difficult and dispersion failure increases. If it exceeds 0.35, it becomes difficult to obtain a uniform carbon fiber paper. In order to lower the atomic ratio between oxygen atoms and carbon atoms, there are methods to stop the surface treatment of carbon fiber and the application of a sizing agent, and to remove oxygen atoms from the surface by heat treatment in an inert or reducing atmosphere. .

【0054】本発明に用いられる電極基材は、無機導電
性粒子、特に柔軟性を有する無機導電性粒子がシート状
に配列されてなる多孔質導電シートを用いてなることも
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、柔軟性を有する無機導電性粒子として、膨張
黒鉛粒子を用いることがで上記目的を達成するために好
ましい。
The electrode substrate used in the present invention is also preferably made of a porous conductive sheet in which inorganic conductive particles, particularly flexible inorganic conductive particles, are arranged in a sheet. As a result, the components are less likely to fall off, or hard to break even when mechanical force acts, the electric resistance is low,
In addition, it is possible to provide an inexpensive electrode substrate. In particular, it is preferable to use expanded graphite particles as the inorganic conductive particles having flexibility to achieve the above object.

【0055】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。
Here, the expanded graphite particles are defined as graphite particles,
Graphite particles obtained by being intercalated with sulfuric acid, nitric acid, etc., and then expanded 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.

【0056】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無機導電粒子、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。
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 the other objects adjacent to the expanded graphite particles. This morphological compatibility is that, when the expanded graphite particles are subjected to a pressurizing action in a state where at least a part of them are overlapped, they are deformed to each other according to the pressurized state, and the particles are at least partially bonded. To be observed. In addition, the morphological compatibility is based on expanded graphite particles and auxiliary materials used when they are arranged in a sheet shape while ensuring gas permeability (for example, a conventionally used flexible material such as carbon black). When the inorganic conductive particles having no property, or the inorganic conductive fibers conventionally used such as carbon fiber) are pressed together, the expanded graphite particles are deformed along the outer shape of the auxiliary material. Is observed by being bonded to this auxiliary material.

【0057】本発明の電極基材に用いられる多孔質導電
シートは、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。
In a preferred embodiment, the porous conductive sheet used for the electrode substrate of the present invention contains, in addition to the conductive fine particles having flexibility, other conductive particles and conductive fibers. When both the conductive fibers and the conductive particles are made of an inorganic material, an electrode substrate excellent in heat resistance, oxidation resistance, and elution resistance can be obtained.

【0058】また、多孔質導電シートには、柔軟性を有
しない無機導電性粒子、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、無機導電性粒子の30重量%以上が柔軟性
を有する無機導電性粒子であることが好ましく、50重
量%以上がより好ましく、70重量%以上が更に好まし
い。
The porous conductive sheet may contain inorganic conductive particles having no flexibility, for example, carbon black powder, graphite powder, metal powder, ceramic powder, etc. % Or more are preferably the inorganic conductive particles having flexibility, more preferably 50% by weight or more, and even more preferably 70% by weight or more.

【0059】他に、本発明の電極基材に用いられる多孔
質導電シートは、撥水性の高分子を含むことができる。
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
樹脂が高い撥水性を有するため好ましく用いられる。
In addition, the porous conductive sheet used for the electrode substrate of the present invention can contain a water-repellent polymer.
Particularly, fluororesins such as polytetrafluoroethylene (PTFE), tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer (FEP), and tetrafluoroethylene-perfluoroalkylvinyl ether copolymer (PFA) are preferably used because they have high water repellency. Can be

【0060】多孔質導電シートが燃料電池用電極基材
(集電体)として用いられる場合は、撥水処理が必須で
あり、その際の撥水性の高分子は、無機導電性繊維と無
機導電性粒子との接着効果ももたらす。このことは、シ
ートの強度、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。
When the porous conductive sheet is used as an electrode substrate (collector) for a fuel cell, a water-repellent treatment is indispensable. In this case, the water-repellent polymer is composed of inorganic conductive fibers and inorganic conductive fibers. It also provides an adhesive effect with the conductive particles. This is useful in terms of sheet strength and electrical resistance. PTFE,
FEP and PFA are more preferable because they have high water repellency and oxidation resistance required for a fuel cell current collector, and PTFE and PFA have an effect of lowering electric resistance.

【0061】撥水性高分子の含有量は、シート全重量に
対し、10〜50重量%が好ましく、より好ましくは1
5〜45重量%、更に好ましくは20〜40重量%であ
る。含有量が少ないと撥水性やシート強度が低くなり、
含有量が多いと電気抵抗が高くなる。
The content of the water-repellent polymer is preferably from 10 to 50% by weight, more preferably from 1 to 50% by weight, based on the total weight of the sheet.
It is 5 to 45% by weight, more preferably 20 to 40% by weight. If the content is small, water repellency and sheet strength will be low,
When the content is large, the electric resistance increases.

【0062】多孔質導電シートの電気抵抗Rの測定は、
次による。幅50mm、長さ200mm、厚み1.5m
m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・c
2)が求められる。 R=V×2.4×2.4×π×1000 ここで、πは円周率である。
The measurement of the electric resistance R of the porous conductive sheet is as follows.
According to the following. Width 50mm, length 200mm, thickness 1.5m
Two test electrode plates are prepared in which a copper foil having a width of 50 mm, a length of 200 mm, and a thickness of 0.1 mm is adhered to one side of a glassy carbon plate having a flat surface of m. The two test electrode plates are maintained at a substantially uniform distance, and the surfaces of the glassy carbon plate are positioned facing each other. One end of each of the two test electrode plates is provided with a terminal for current, and the other end is provided with a terminal for voltage. A sheet cut into a circle having a diameter of 46 mm is inserted into the gap and placed on the center of two test electrode plates. The test electrode plate is moved so that a pressure of 0.98 MPa acts on the placed sheet. At the current terminal, a current of 1 A flows between the two test electrode plates. 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 · c
m 2 ) is required. R = V × 2.4 × 2.4 × π × 1000 where π is a pi.

【0063】多孔質導電性シートの電気抵抗は、100
mΩ・cm2以下であることが好ましく、50mΩ・c
2以下であることがより好ましく、15mΩ・cm2
下であることが更に好ましい。撥水性のフッ素樹脂を含
む多孔質導電シートの電気抵抗は、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。
The electric resistance of the porous conductive sheet is 100
mΩ · cm 2 or less, preferably 50 mΩ · c
m 2 or less, more preferably 15 mΩ · cm 2 or less. The electric resistance of the porous conductive sheet containing a water-repellent fluororesin is 150 mΩ · cm 2
Preferably less, more preferably 70mΩ · cm 2 or less, still more preferably 30 m [Omega] · cm 2 or less.

【0064】本発明の電極基材は高分子物質で結着する
ことにより、圧縮や引張りに強くなり、強度、ハンドリ
ング性を高め、無機導電性繊維がシートから外れたり、
シートの厚み方向を向くのを防止できる。高分子物質を
結着させる方法としては、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
導電性繊維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。無機導電性繊維の結着を強
くしたり、多孔質導電シートひいては集電体の電気抵抗
を低くしたりするためには、無機導電性繊維を結着する
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。
The electrode base material of the present invention becomes strong in compression and tensile strength by binding with a polymer substance, increases strength and handling properties, and may cause inorganic conductive fibers to come off the sheet.
It is possible to prevent the sheet from turning in the thickness direction. As a method of binding the polymer material, when the inorganic conductive fiber is oriented in a random direction in a substantially two-dimensional plane, a method of mixing a fibrous, granular, or liquid polymer material, There is a method of attaching a fibrous, liquid polymer substance to an aggregate in which conductive fibers are oriented in a random direction in a substantially two-dimensional plane. The concept of a liquid includes an emulsion, a dispersion, a latex, and the like, in which fine particles of a polymer substance are dispersed in a liquid and can be handled substantially as a liquid. In order to strengthen the binding of the inorganic conductive fibers and to lower the electrical resistance of the porous conductive sheet and, consequently, the current collector, the polymer substance binding the inorganic conductive fibers is formed of a fibrous, emulsion, or disperse material. John and latex are preferred. In the case of a fibrous polymer substance, it is preferable to use a filament yarn to reduce the content.

【0065】無機導電性繊維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(SB
R)、ブタジエン・アクリロニトリル共重合体(NB
R)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。フッ素原子を含む疎水性ポリマ、
即ち、フッ素樹脂等の撥水性の樹脂を用い、無機導電性
繊維の結着と同時に多孔質導電シートの撥水化処理を行
ってもよい。
As the polymer substance binding the inorganic conductive fiber, a polymer substance having carbon or silicon in the main chain is preferable. For example, polyvinyl alcohol (PVA), polyvinyl acetate (vinyl acetate), polyethylene terephthalate ( PET), polypropylene (PP), polyethylene,
Polystyrene, polyvinyl chloride, polyvinylidene chloride,
Acrylic resin, thermoplastic resin such as polyurethane, phenol resin, epoxy resin, melamine resin, urea resin,
In addition to thermosetting resins such as alkyd resins, unsaturated polyester resins, acrylic resins, and polyurethane resins, thermoplastic elastomers, butadiene / styrene copolymers (SB
R), butadiene / acrylonitrile copolymer (NB
R) and other elastomers, rubbers, cellulose, pulp and the like can be used. A hydrophobic polymer containing a fluorine atom,
That is, using a water-repellent resin such as a fluororesin, the porous conductive sheet may be subjected to a water-repellent treatment simultaneously with the binding of the inorganic conductive fibers.

【0066】電極基材が加圧時に壊れにくくするために
は、無機導電性繊維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
質であれば、電極基材は加圧時に壊れにくくなり好まし
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、熱可塑性樹脂、エラスト
マー、ゴムが電極基材の加圧時に壊れにくくなりより好
ましい。
In order to make the electrode base material less likely to be broken at the time of pressurization, it is preferable that the polymer material binding the inorganic conductive fibers be soft. When the polymer material is used in a fibrous or granular form, a high molecular weight material is required. If the molecular substance is a soft polymer substance such as a thermoplastic resin, an elastomer, rubber, cellulose, pulp or the like, the electrode substrate is not easily broken when pressurized, which is preferable. When the polymer substance is used in a liquid form,
Polymeric substances include thermoplastics, elastomers, rubbers,
A thermosetting resin modified with a soft material such as a thermoplastic resin, an elastomer, or a rubber is preferable, and a thermoplastic resin, an elastomer, or a rubber is more difficult to be broken when the electrode substrate is pressurized, and is more preferable.

【0067】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, 0
00MPa以下であるのがより好ましく、1, 000M
Pa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、無機導電性繊維にかかる応力を緩和し
て折れにくくするためである。
The high-molecular substance preferably has a compression elastic modulus at 23 ° C. of 4,000 MPa or less, preferably 2,0 MPa.
More preferably, the pressure is not more than 00 MPa.
More preferably, it is Pa or less. The reason is that the polymer substance having a low compression modulus relieves the stress applied to the binding portion so that the binding is not easily released, and also reduces the stress applied to the inorganic conductive fiber so that the inorganic conductive fiber is hardly broken.

【0068】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、
電解質を透過した水が発生する。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。
In the polymer electrolyte fuel cell, at the cathode (air electrode, oxygen electrode), water as an electrode reaction product,
Water permeating the electrolyte is generated. At the anode (fuel electrode), the fuel is supplied humidified to prevent the polymer electrolyte membrane from drying. Since the condensation and stagnation of the water and the swelling of the polymer substance due to water hinder the supply of the electrode reactant, the lower the water absorption of the polymer substance, the better. It is preferably at most 20%, more preferably at most 7%.

【0069】電極基材における高分子物質の含有率は、
0.1〜30重量%の範囲にあるのが好ましい。多孔質
導電シート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、無機導電性繊維の
脱落も多くなる。逆に、30重量%を超えると多孔質導
電シート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、1〜20重量%の範囲である。
The content of the polymer substance in the electrode substrate is
Preferably it is in the range of 0.1 to 30% by weight. In order to lower the electrical resistance of the porous conductive sheet, it is better that the content of the polymer substance is small, but if it is less than 0.1% by weight, the strength that can withstand handling is insufficient, and the inorganic conductive fibers often fall off. . Conversely, if the content exceeds 30% by weight, there arises a problem that the electric resistance of the porous conductive sheet increases.
More preferably, it is in the range of 1 to 20% by weight.

【0070】多孔質導電シートは、そのまま電極基材と
して用いる場合と、さらに後処理して用いる場合とがあ
る。後処理の例としては、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がある。
The porous conductive sheet may be used as it is as an electrode substrate, or may be used after further post-treatment. Examples of post-treatments include water repellency treatment to prevent gas diffusion and permeability decrease due to water retention, partial water repellency to form a water discharge path, hydrophilic treatment, and treatment to reduce resistance. And the addition of carbonaceous powder.

【0071】一般に、電極基材は、高分子電解質膜、電
極触媒層、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、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、折れた繊維の脱落、電極基材の強度低下、面方
向の電気抵抗増大等が起こり、電池として使用できなく
なることがある。
In general, the electrode substrate is sometimes pressed and broken in the thickness direction when the polymer electrolyte membrane, the electrode catalyst layer, and the electrode substrate are integrated or used as a battery. In addition, when used as a battery, since pressure is applied in the thickness direction while facing the grooved separator, a large pressure is applied to the portion of the grooved separator facing the peak, and in addition to the portion facing the boundary between the peak and valley. Is fragile. When the electrode substrate is broken, the broken fibers may fall off, the strength of the electrode substrate may be reduced, the electric resistance in the surface direction may be increased, and the battery may not be used.

【0072】上記のことから、電極基材として用いるこ
とができる本発明の多孔質導電性シートは、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。
As described above, the porous conductive sheet of the present invention, which can be used as an electrode substrate, applies a uniform surface pressure of 2.9 MPa in the thickness direction for 2 minutes, and after releasing the surface pressure. Is preferably 3% or less.
This is because an electrode substrate having a weight reduction rate of more than 3% is weak after the surface pressure is released, and has a problem that it is easily broken by handling. Thereby, it is hard to be broken at the time of pressurization, and it can be prevented that the fuel cell cannot be used due to the breakage of the electrode substrate. It is preferably at most 2%, more preferably at most 1%.

【0073】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3
0mm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。
The measurement of the weight loss rate is performed as follows. First, the electrode substrate is cut into a circle having a diameter of 46 mm, and the weight is measured. Next, the electrode base material, which is larger than the electrode base material and cut by two glassy carbon plates having a smooth surface, is sandwiched between the electrode base materials and 2.9 MPa per area of the electrode base material.
And keep it for 2 minutes. Remove the electrode substrate by removing the pressure and turn the surface of the electrode substrate to the vertical direction.
Drop from a height of 0 mm. After performing this drop 10 times, the weight is measured, and the weight reduction rate is calculated.

【0074】無機導電性繊維の折損を防止し、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。
In order to prevent breakage of the inorganic conductive fiber and to reduce the weight reduction rate to 3% or less, the fiber used is preferably a short carbon fiber obtained by cutting a carbon fiber. Preferably, it is stretched at the time of heat treatment.

【0075】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、さらに電極反応を促進する電子伝導やイオ
ン電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等が挙げられ、触媒は白金な
どの貴金属粒子が好適な例として例示できる。また、電
極触媒層の導電性を改善する材料を含むことが好まし
く、形態は特に限定されるものではないが、例えば、導
電性粒子を有することが好ましい。導電性を改善する材
料としては、電子伝導体がある。電子伝導体としてはカ
ーボンブラック等が挙げられ、特に触媒を担持したカー
ボンブラックとして白金担持カーボンなどが好ましく用
いられる。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。また、イオン伝導性を改善したり、材料
の結着性を向上させたり、或いは撥水性を高めたりする
のに、高分子化合物が好ましく用いられる。電極触媒層
に、少なくとも触媒粒子と導電性粒子と高分子化合物を
含むことは好適である。
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 an electrode reaction, and further includes a substance that contributes to electron conduction and ion conduction that promote the electrode reaction. In addition, when the electrode active material (a substance that oxidizes or reduces) is a gas, it is necessary to have a structure that allows the gas to easily permeate, and a structure that promotes the discharge of the generated material accompanying the electrode reaction is required. is there. When the electrode of the present invention is used for a fuel cell, the electrode active material may be hydrogen, oxygen, or the like, and the catalyst may be preferably a noble metal particle such as platinum. Further, it is preferable to include a material for improving the conductivity of the electrode catalyst layer, and the form is not particularly limited. For example, it is preferable to have conductive particles. As a material for improving conductivity, there is an electronic conductor. Examples of the electron conductor include carbon black and the like, and particularly, platinum-supported carbon and the like are preferably used as the carbon black supporting the catalyst. The electron conductor is carbon black, the ionic conductor is a proton exchange resin, and the reaction product is water. 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, and the active material and the reaction product can efficiently enter and exit. In addition, a polymer compound is preferably used for improving ionic conductivity, improving binding properties of a material, or improving water repellency. It is preferable that the electrode catalyst layer contains at least catalyst particles, conductive particles, and a polymer compound.

【0076】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、ルテニウム、イリジウム、金などの貴金属触媒
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。
When the electrode of the present invention is used in a fuel cell, the catalyst contained in the electrode catalyst layer can be a known catalyst, and is not particularly limited, but may be platinum, palladium, ruthenium, iridium, or the like. A noble metal catalyst such as gold is preferably used. Further, two or more elements such as alloys and mixtures of these noble metal catalysts may be contained.

【0077】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
導性と耐触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、チャネルブラック、サーマルブラッ
ク、ファーネスブラックなどのカーボンブラックが、電
子伝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88
0、ブラックパールズ1100、ブラックパールズ13
00、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#3
150、#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が電子伝導性の点から好ましく用
いられる。
The electron conductor (conductive material) contained in the electrode catalyst layer is not particularly limited, but an inorganic conductive substance is preferably used from the viewpoint of electron conductivity and contact resistance. Among them, carbon black, graphite or carbonaceous carbon materials, and metals and metalloids are exemplified. As such a carbon material, carbon black such as channel black, thermal black and furnace black is preferable from the viewpoint of electron conductivity and specific surface area.
Oil furnace black includes Vulcan XC-72, Vulcan P, Black Pearls 88 manufactured by Cabot Corporation.
0, Black Pearls 1100, Black Pearls 13
00, Black Pearls 2000, Legal 400, Ketchen Black EC manufactured by Lion, # 3 manufactured by Mitsubishi Chemical
150, # 3250, etc., and acetylene black includes Denka Black manufactured by Denki Kagaku Kogyo KK 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. These carbon materials may be in the form of fibers in addition to particles. It is also possible to use carbon materials obtained by post-processing these carbon materials. Among such carbon materials, Vulcan XC-72 manufactured by Cabot Corporation is particularly preferably used from the viewpoint of electron conductivity.

【0078】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。
The addition amount of these electron conductors should be appropriately determined according to the required electrode characteristics, the specific surface area of the substance to be used, the electronic resistance, and the like. Preferably 80% to 20%.
60% is more preferred. When the amount of the electron conductor is small, the electronic resistance is low. When the amount is large, the gas permeability is impaired or the catalyst utilization rate is reduced, so that the electrode performance is lowered.

【0079】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。
It is preferable that the electron conductor is uniformly dispersed with the catalyst particles from the viewpoint of electrode performance. For this reason, a method in which the catalyst particles and the electron conductor are well dispersed in advance as a coating liquid and the coating liquid is coated on a porous conductive sheet provided with a conductive intermediate layer is preferably used.

【0080】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。
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 the catalyst-supporting carbon is used for the electrode catalyst layer, it is possible to further add a conductive agent. As such a conductive agent, the above-mentioned carbon black is preferably used.

【0081】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
ロトン伝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、D
uPont社製のNafion、旭化成社製のAcip
lex、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。
As the ion conductor used for the electrode catalyst layer, known ones can be used without particular limitation. As the ionic conductor, various organic and inorganic materials are known, but when used for a fuel cell, a sulfonic acid group, a carboxylic acid group, which improves proton conductivity,
A polymer having an ion exchange group such as a phosphate group is preferably used. Among them, a polymer having a proton exchange group composed of a fluoroalkyl ether side chain and a fluoroalkyl main chain is preferably used. For example, D
uPont's Nafion, Asahi Kasei's Acip
lex and Flemion manufactured by Asahi Glass Co., Ltd. are preferable. These ion exchange polymers are provided in the electrode catalyst layer in the form 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 in view of the solubility of the proton exchange resin. The above-mentioned fluorine atom-containing polymer having a proton exchange group, another polymer such as ethylene or styrene, a copolymer or a blend thereof may be used.

【0082】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と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。
It is important that the ionic conductor is added in advance to a coating liquid as a main constituent substance of the electrode catalyst particles, the electron conductor and the electrode catalyst layer when forming the electrode catalyst layer, and is applied in a uniformly dispersed state. However, the ionic conductor may be applied after the application of the electrode catalyst layer. As a method of applying the ion conductor to the electrode catalyst layer, spray coating, brush coating, dip coating, die coating,
There is no particular limitation on curtain coats, flow coats, and the like.

【0083】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。
The amount of the ion conductor contained in the electrode catalyst layer should be appropriately determined according to the required electrode characteristics, the conductivity of the ion conductor used, and the like.
Although not particularly limited, the weight ratio is preferably 1 to 80%, more preferably 5 to 50%. When the ion conductor is small, the ion conductivity is low, and when the ion conductor is large, the gas permeability is impaired.

【0084】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、フッ素原子を含むポリマが挙げられ、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。これらポリマの電極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。
The electrode catalyst layer may contain various substances in addition to the above-mentioned catalyst, electron conductor and ion conductor. In particular, it is a preferred embodiment to include a polymer other than the above-mentioned proton exchange resin in order to enhance the binding property of a substance contained in the electrode catalyst layer. Examples of such a polymer include polymers containing a fluorine atom, and are not particularly limited. For example, polyvinyl fluoride (PVF), polyvinylidene fluoride (PVDF), polyhexafluoropropylene (FEP), Tetrafluoroethylene, polyperfluoroalkyl vinyl ether (PFA), or the like, a copolymer thereof, a copolymer of these monomer units with another monomer such as ethylene or styrene, or a blend can also be used. The content of these polymers in the electrode catalyst layer is preferably 5 to 40% by weight. If the polymer content is too high, the electron and ionic resistance will increase and the electrode performance will decrease.

【0085】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。
In a preferred embodiment of the electrode catalyst layer, 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 in that the composite has a three-dimensional network microporous structure. The “three-dimensional network microporous structure” refers to a state in which the catalyst-polymer composite has a three-dimensional network structure three-dimensionally connected.

【0086】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
ことが好ましく、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電極触媒層は、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。
When the electrode catalyst layer has a three-dimensional network microporous structure, the microporous diameter is preferably from 0.05 to 5 μm, and more preferably from 0.1 to 1 μm. The microporous diameter can be measured with a scanning electron microscope (SEM), etc.
From the photograph of the surface, 20 or more, preferably 100
It can be obtained from an average of more than 100 pieces, and can usually be measured with 100 pieces. Since the electrode catalyst layer having a microporous structure of the present invention when produced by a wet coagulation method has a wide distribution of microporous diameters, it is preferable to average as many pore diameters as possible.

【0087】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、電極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電極触媒層全
体積で除した百分率(%)である。電極触媒層は、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、電極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
電極触媒層とを含む空孔率を求めた後に、電極触媒層単
独での空孔率を求めることも可能である。
The porosity of the three-dimensional network microporous structure is 10
It is preferably about 95%. More preferably 50 to
90%. The porosity is calculated from the total volume of the electrode catalyst layer as follows:
This is a percentage (%) obtained by dividing the volume occupied by the polymer composite by the total volume of the electrode catalyst layer. The electrode catalyst layer is subjected to wet coagulation after being applied to the electrode substrate, the proton exchange membrane, and other substrates, but if it is difficult to obtain the porosity by itself, the electrode substrate Calculate the porosity of the proton exchange membrane and the other base material in advance, determine the porosity including the base material and the electrode catalyst layer, and then determine the porosity of the electrode catalyst layer alone. Is also possible.

【0088】電極触媒層は、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。
The electrode catalyst layer has a high porosity, good gas diffusivity and good discharge of generated water, and good electron conductivity and proton conductivity. In the conventional porous method, the catalyst particle diameter and the particle diameter of the added polymer are increased, and pores are formed by using a pore-forming agent. And the contact resistance between the proton exchange resins becomes larger than that of the electrode catalyst layer. On the other hand, in the three-dimensional network microporous structure by the wet solidification method, since the polymer composite containing the catalyst-supporting carbon is in a three-dimensional network, electrons and protons can easily conduct through this polymer composite, Furthermore, because of the microporous structure, gas diffusibility and generated water discharge are also good.

【0089】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
く、この湿式凝固法に適したポリマが好ましく、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
しないポリマが好ましい。このようなポリマとしては、
フッ素原子を含むポリマが挙げられ、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(PV
F)、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等)、さらには、
ブレンドなども用いることができる。
Even when the electrode catalyst layer has a three-dimensional microporous structure, the same materials as those used in the related art can be used for the catalyst, the electron conductor, and the ion conductor. However, when preparing an electrode catalyst layer having a three-dimensional network microporous structure, it is preferable to use a wet coagulation method, and it is preferable to use a polymer suitable for the wet coagulation method. Polymers that do not degrade in a reducing atmosphere are preferred. Such polymers include:
Examples include polymers containing fluorine atoms, and are not particularly limited. For example, polyvinyl fluoride (PV
F), polyvinylidene fluoride (PVDF), polyhexafluoropropylene (FEP), polyperfluoroalkyl vinyl ether (PFA), or a copolymer thereof, or a copolymer of these monomer units with another monomer such as ethylene or styrene. Polymer (for example, hexafluoropropylene-vinylidene fluoride copolymer and the like), and further,
Blends and the like can also be used.

【0090】この中でも、ポリフッ化ビニリデン(PV
DF)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。
Among them, polyvinylidene fluoride (PV
DF) and hexafluoropropylene-vinylidene fluoride copolymer are obtained by a wet coagulation method using an aprotic polar solvent and a protic polar solvent as a coagulating solvent, and a catalyst having a three-dimensional network microporous structure. It is a particularly preferred polymer in that a polymer composite can be 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 aromatic or halogen-based organic solvents are used.

【0091】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。
As the polymer of the catalyst-polymer composite, in addition to the above-mentioned polymers, a polymer having a proton exchange group for improving proton conductivity is also preferable. Examples of the proton exchange group contained in such a polymer include a sulfonic acid group, a carboxylic acid group, and a phosphoric acid group, but are not particularly limited. Further, such a polymer having 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, DuPont's
Nafion and the like are also preferable. Further, 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 may be used.

【0092】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Nafi
on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、Na
fion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。
The Nafion polymer solution may be obtained by dissolving a commercially available Nafion membrane in an aprotic polar solvent, or using Nafion, a mixed solvent of water-methanol-isopropanol manufactured by Aldrich.
An on solution or a solution obtained by replacing the Nafion solution with a solvent may be used. In this case, the coagulation solvent during wet coagulation is Na
Although it should be appropriately determined depending on the solvent of the fion solution, when the solvent of the Nafion solution is an aprotic polar solvent, as the coagulating solvent, in addition to water, alcohols, and esters, various organic solvents and the like are used. Preferably, in the case of a mixed solvent of water-methanol-isopropanol, esters such as butyl acetate and various organic solvents are preferably used.

【0093】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むポリマやプロトン交換膜を
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。
As the polymer used in the catalyst-polymer composite, it is also preferable to use a polymer containing a fluorine atom or a polymer containing a proton exchange membrane by copolymerization or blending. In particular, blending polyvinylidene fluoride, poly (hexafluoropropylene-vinylidene fluoride) copolymer, and a polymer such as Nafion, which has a fluoroalkyl ether side chain and a fluoroalkyl main chain in the proton exchange group, can improve electrode performance. It is preferable from the point.

【0094】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。
The main components of the catalyst-polymer composite are a catalyst-supporting carbon and a polymer, and their ratio should be appropriately determined according to the required electrode characteristics, and is not particularly limited. The weight ratio of carbon / polymer 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-supporting carbon / polymer weight ratio is 40/60.
~ 85/15 is preferred.

【0095】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。
It is also a preferred embodiment to add various additives to the catalyst-polymer composite. For example, a conductive agent such as carbon for improving electron conductivity, a polymer for improving binding, an additive for controlling the pore size of a three-dimensional network microporous structure, and the like, but are not particularly limited. Can be used. The addition amount of these additives is as follows:
The weight ratio to the polymer composite is preferably from 0.1 to 50%, more preferably from 1 to 20%.

【0096】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。
As a method for producing a catalyst-polymer composite having a three-dimensional network microporous structure, a method based on a wet coagulation method is preferable. In the 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 of the catalyst-polymer solution composition and solvent extraction are simultaneously performed.

【0097】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。
This catalyst-polymer solution composition is obtained by uniformly dispersing the catalyst-supporting carbon in the polymer solution.
The above-mentioned 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 disperse the catalyst-supporting carbon well. If the dispersion state is poor, it is not preferable because the catalyst-carrying carbon and the polymer cannot form a composite during wet coagulation.

【0098】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。
As for the coating method, a coating method is selected according to the viscosity and solid content of the catalyst-polymer solution composition.
Although not particularly limited, a knife coater,
General coating methods such as a bar coater, a spray, a dip coater, a spin coater, a roll coater, a die coater, and a curtain coater are used.

【0099】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。
On the other hand, the coagulation solvent for wet coagulation of the polymer is not particularly limited, but a solvent which is easy to coagulate and precipitate the polymer to be used and which is compatible with the solvent of the polymer solution is preferable. The method of contact with the coagulation solvent in which wet coagulation is actually performed is not particularly limited, but the base material is immersed in the coagulation solvent, 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 the coating layer.

【0100】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、導電性中間層を設けた電極基材、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。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
電極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。
The substrate to which the catalyst-polymer solution composition is applied can be applied to either an electrode substrate provided with a conductive intermediate layer or a solid electrolyte, and then subjected to wet coagulation. . Also, after applying to a substrate (transfer substrate) other than the electrode substrate and the solid electrolyte, and then performing wet solidification to create a three-dimensional network microporous structure, the electrode catalyst layer is applied to the electrode substrate or the solid electrolyte. It may be transferred or sandwiched on the electrolyte. As the transfer substrate in this case, a polytetrafluoroethylene (PTFE) sheet, a glass plate or a metal plate whose surface is treated with a fluorine or silicone release agent, or the like is also used.

【0101】本発明の電極は、前述の電極基材/導電性
中間層/電極触媒層と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。
The electrode of the present invention is obtained by combining the above-mentioned electrode substrate / conductive intermediate layer / electrode catalyst layer with the solid electrolyte layer to form a membrane-electrode composite (MEA: Membrane Electrode).
Assembly) is also a preferred embodiment.

【0102】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。
The solid electrolyte is not particularly limited as long as it is a solid electrolyte used in a normal fuel cell, but a proton exchange membrane is preferably used for exhibiting the fuel cell performance of the present invention. 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.

【0103】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Fle
mion、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。
This proton exchange membrane is composed of a hydrocarbon such as a styrene-divinylbenzene copolymer having the above proton exchange groups, especially sulfonic acid groups, and a fluorine atom-containing polymer, particularly a fluoroalkyl ether side chain and a fluoroalkyl ether. It is roughly classified into a perfluoro-based copolymer composed of a main chain, and should be appropriately selected according to the use and environment in which the fuel cell is used. This is preferable from the viewpoint of fuel cell life. Further, a partial fluorine film partially substituted with fluorine atoms is also preferably used. For perfluoro membranes, DuPont Nafion, Asahi Kasei Aciplex, Asahi Glass Fle
Examples include mion, Goa-select manufactured by Japan Gore-Tex Co., Ltd., and examples of the partial fluorine film include a polymer of trifluorostyrene sulfonic acid and a material in which a sulfonic acid group is introduced into polyvinylidene fluoride. The proton exchange membrane is not only one kind of polymer, but also a copolymer or a blended polymer of two or more kinds of polymers, a composite membrane in which two or more kinds of membranes are bonded together,
A membrane obtained by reinforcing a proton exchange membrane with a nonwoven fabric, a porous film, or the like can also be used.

【0104】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、多孔質導電シー
ト上に導電性中間層を設けて、さらにこの中間層上に電
極触媒層を設けて本発明の電極を作成し、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。
The method for producing the membrane-electrode composite is not particularly limited. In general, a conductive intermediate layer is provided on a porous conductive sheet, and an electrode catalyst layer is further provided on the intermediate layer to prepare an electrode of the present invention. This electrode is formed with a solid electrolyte such as a proton exchange membrane. The joining is performed, and the joining conditions should be appropriately determined according to the characteristics of the electrode catalyst layer or the electrochemical device.

【0105】また、本発明の電極基材/導電性中間層/
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。
The electrode substrate of the present invention / conductive intermediate layer /
The electrode composed of the electrode catalyst layer or the membrane-electrode composite (MEA) composed of the electrode and the solid electrolyte membrane can be applied to various electrochemical devices. Among them, a fuel cell and a water electrolysis layer are preferable, and among the fuel cells, a polymer electrolyte fuel cell is suitable. There are fuel cells that use hydrogen as fuel and fuel cells that use hydrocarbons such as methanol as fuel, but they can be used without any particular limitation.

【0106】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。
Further, the use of the fuel cell using the electrode catalyst layer of the present invention can be considered without any particular limitation. However, the power supply source of the moving body, which is a useful application in the polymer electrolyte fuel cell, is considered. It is preferred. In particular, automobiles such as passenger cars, buses and trucks, ships, railways, and the like are also preferable moving bodies.

【0107】[0107]

【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。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS The details of the present invention will be further described below using embodiments.

【0108】実施例1 (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(PFパウダ−4、東洋炭素(株)製、
かさ密度0.039g/cm3、平均粒径300乃至5
00μm)が、重量比で1:1に混合され、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せしめられ
た。この分散液が用いられ、炭素繊維の短繊維に膨張黒
鉛粉末が付着したシートが、金網上に抄造された。水分
を除去する目的で、シートは、2枚の濾紙に挟まれ、軽
く加圧された。その後、濾紙が外され、シートは、乾燥
された。乾燥後、シートは、ロールプレスにより、線圧
490N/cm(50kg/cm)でプレスされ、多孔
質導電シートが製造された。
Example 1 (1) Preparation of Porous Conductive Sheet Short fibers of PAN-based carbon fiber cut to a length of 12 mm and expanded graphite powder (PF Powder-4, manufactured by Toyo Carbon Co., Ltd.)
Bulk density 0.039 g / cm 3 , average particle size 300 to 5
00 μm) was mixed at a weight ratio of 1: 1 and dispersed in an aqueous solution of sodium carboxymethylcellulose. Using this dispersion, a sheet in which expanded graphite powder was adhered to short fibers of carbon fibers was formed on a wire mesh. The sheet was sandwiched between two pieces of filter paper and lightly pressed to remove moisture. Thereafter, the filter paper was removed and the sheet was dried. After drying, the sheet was pressed at a linear pressure of 490 N / cm (50 kg / cm) by a roll press to produce a porous conductive sheet.

【0109】更に、この多孔質導電シートは、空気中で
200℃、30分の熱処理を受けた。目付は60g/c
2であった。熱処理後のシートに、PTFEディスパ
ージョン(ポリフロンTFEディスパージョン、ダイキ
ン工業株式会社製を希釈しディスパージョンの濃度15
重量%とした水分散液が含浸せしめられた。含浸後、シ
ートは、2枚の濾紙に挟まれ、軽く加圧された。その
後、シートから濾紙が外され、乾燥された。乾燥後のシ
ートは、1.2MPa(12kgf/cm2)に加圧さ
れながら370℃、10分の熱処理を受け、多孔質導電
シートが製造された。PTFEの付き量は、15重量%
であった。
Further, this porous conductive sheet was subjected to a heat treatment in air at 200 ° C. for 30 minutes. The basis weight is 60g / c
m 2 . A PTFE dispersion (Polyflon TFE dispersion, manufactured by Daikin Industries, Ltd., diluted to a concentration of 15
The aqueous dispersion in weight% was impregnated. After impregnation, the sheet was sandwiched between two pieces of filter paper and lightly pressed. Thereafter, the filter paper was removed from the sheet and dried. The dried sheet was subjected to a heat treatment at 370 ° C. for 10 minutes while being pressurized to 1.2 MPa (12 kgf / cm 2 ) to produce a porous conductive sheet. The amount of PTFE added is 15% by weight.
Met.

【0110】(2)導電性中間層の作成 無機導電性物質としてカーボンブラック(Cabot社製Vul
canXC-72)、結着剤のポリマとしてポリテトラフルオロ
エチレン(PTFE)ディスパージョン(ダイキン工業
社製ポリフロンTFEディスパージョン)とをよく混合
して、前記(1)記載の多孔質導電性シートに塗布、乾
燥後、さらに370℃で10分間熱処理を行った。得ら
れた導電性中間層は、1mg/cm2(カーボンブラッ
ク80重量%、PTFE20重量%)であった。
(2) Preparation of Conductive Intermediate Layer Carbon black (Vull manufactured by Cabot) was used as the inorganic conductive material.
canXC-72) and a polytetrafluoroethylene (PTFE) dispersion (Polyflon TFE dispersion manufactured by Daikin Industries, Ltd.) as a binder polymer and mixed well, and applied to the porous conductive sheet according to (1) above. After drying, a heat treatment was further performed at 370 ° C. for 10 minutes. The obtained conductive intermediate layer was 1 mg / cm 2 (80% by weight of carbon black, 20% by weight of PTFE).

【0111】(3)触媒−ポリマ組成物の調製 Aldrich社製Nafion溶液に、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
を調製した。
(3) Preparation of Catalyst-Polymer Composition A catalyst-supporting carbon (catalyst;
Pt, carbon; VulcanXC-72, manufactured by Cabot, platinum loading;
(50 wt%) and stirred well to prepare a catalyst-polymer composition.

【0112】(4)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(2)で作成した導電性中間層を設けた多孔質導電
シート上に、前記(3)で調製した触媒−ポリマ組成物
を塗布、乾燥した。得られた電極触媒層は、白金の付き
量1mg/cm2、Nafionの付き量0.5mg/cm2
あった。
(4) Preparation of Electrode Catalyst Layer by Applying and Drying Catalyst-Polymer Composition The catalyst prepared in (3) above was placed on the porous conductive sheet provided with the conductive intermediate layer prepared in (2). -The polymer composition was applied and dried. The obtained electrode catalyst layer had a coating amount of platinum of 1 mg / cm 2 and a coating amount of Nafion of 0.5 mg / cm 2 .

【0113】また、触媒−ポリマ組成物を塗布する際に
は、導電性中間層が設けられているためにこの組成物の
浸み込みは抑制された。この電極の断面SEM写真を図
1(1)に、XMA分析による白金の分布を図1(2)
に示す。導電性中間層の厚さは10μm、電極触媒層の
厚さは15μmであり、電極触媒層の導電性シートへの
浸み込みはなかった。
When the catalyst-polymer composition was applied, penetration of the composition was suppressed because of the provision of the conductive intermediate layer. FIG. 1A shows a cross-sectional SEM photograph of the electrode, and FIG. 1B shows the distribution of platinum by XMA analysis.
Shown in The thickness of the conductive intermediate layer was 10 μm, the thickness of the electrode catalyst layer was 15 μm, and there was no penetration of the electrode catalyst layer into the conductive sheet.

【0114】(5)MEAの作成と燃料電池性能評価 前記(4)で作成した、多孔質導電シートからなる電極
基材、導電性中間層、そして電極触媒層から構成される
電極を用い、プロトン交換膜としてDuPont社製Nafion1
12を用いてホットプレス(圧力5MPa、温度150
℃)を行いMEAを作成した。このMEAの燃料電池性
能を電流−電圧(I−V)測定により行った。セル温度
は60℃、ガス圧力は常圧にて燃料電池性能を評価し
た。電流密度50mA/cm2での電池端子電圧は0.
70Vであり、触媒は有効に用いられていた。
(5) Preparation of MEA and fuel cell performance evaluation Using the electrode composed of the porous conductive sheet, the conductive intermediate layer and the electrode catalyst layer prepared in the above (4), proton Nafion1 manufactured by DuPont as an exchange membrane
12 using a hot press (pressure 5 MPa, temperature 150
C.) to produce an MEA. The fuel cell performance of this MEA was measured by current-voltage (IV) measurement. The fuel cell performance was evaluated at a cell temperature of 60 ° C. and a gas pressure of normal pressure. The battery terminal voltage at a current density of 50 mA / cm 2 was 0.5.
70 V, and the catalyst was used effectively.

【0115】比較例1 実施例1(1)と同様に多孔質導電シートを作成し、導
電性中間層を設けることなく、この多孔質導電シート上
に実施例1(3)(4)と同様に電極触媒層を設けた。
Comparative Example 1 A porous conductive sheet was prepared in the same manner as in Example 1 (1), and the same method as in Examples 1 (3) and (4) was formed on this porous conductive sheet without providing a conductive intermediate layer. Was provided with an electrode catalyst layer.

【0116】このとき、触媒−ポリマ組成物を塗布する
と導電性中間層がないために、この組成物は多孔質導電
シートに平均25μm浸み込んだ。この電極の断面SE
M写真を図2(4)に、XMA分析によるPtの分布を
図2(6)に示す。電極触媒層の厚さは35μmで導電
シートに浸み込んだ層の厚さは25μmであった。
At this time, when the catalyst-polymer composition was applied, there was no conductive intermediate layer, so that the composition permeated an average of 25 μm into the porous conductive sheet. Section SE of this electrode
An M photograph is shown in FIG. 2 (4), and a distribution of Pt by XMA analysis is shown in FIG. 2 (6). The thickness of the electrode catalyst layer was 35 μm, and the thickness of the layer immersed in the conductive sheet was 25 μm.

【0117】さらに、実施例1(5)に従って、この導
電性中間層のない電極を用いてMEAを作成し燃料電池
評価を行った。電流密度50mA/cm2での電池端子
電圧は0.60Vであり実施例1に比べて有効に用いら
れている触媒量は少なかった。
Further, in accordance with Example 1 (5), an MEA was prepared using the electrode without the conductive intermediate layer, and the fuel cell was evaluated. The battery terminal voltage at a current density of 50 mA / cm 2 was 0.60 V, and the amount of the catalyst used effectively was smaller than that in Example 1.

【0118】実施例2 (1)多孔質導電シートの作成 実施例1(1)と同様に、多孔質導電シートを作成し
た。
Example 2 (1) Preparation of Porous Conductive Sheet A porous conductive sheet was prepared in the same manner as in Example 1 (1).

【0119】(2)導電性中間層の作成 無機導電性物質としてカーボンブラック(Cabot社製Vul
canXC-72)を、結着剤のポリマとしてポリフッ化ビニリ
デン(PVDF)のN−メチルピロリドン(NMP)溶
液によく分散し、前記(1)記載の多孔質導電性シート
に塗布、150℃にて乾燥した。得られた導電性中間層
における、(カーボンブラックとPVDF(重量比9:
1)の付き量は1mg/cm2であった。
(2) Preparation of Conductive Intermediate Layer Carbon black (Vull manufactured by Cabot) was used as an inorganic conductive substance.
canXC-72) was well dispersed in an N-methylpyrrolidone (NMP) solution of polyvinylidene fluoride (PVDF) as a binder polymer, and applied to the porous conductive sheet described in (1) above at 150 ° C. Dried. In the obtained conductive intermediate layer, (carbon black and PVDF (weight ratio 9:
The amount of 1) was 1 mg / cm 2 .

【0120】(3)触媒−ポリマ組成物の調製 Aldrich社製Nafion溶液に、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
を調製した。
(3) Preparation of Catalyst-Polymer Composition A catalyst-supporting carbon (catalyst;
Pt, carbon; VulcanXC-72, manufactured by Cabot, platinum loading;
(50 wt%) and stirred well to prepare a catalyst-polymer composition.

【0121】(4)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(2)で作成した導電性中間層を設けた多孔質導電
シート上に、前記(3)で調製した触媒−ポリマ組成物
を塗布、乾燥した。得られた電極触媒層は、白金の付き
量1mg/cm2、Nafionの付き量0.5mg/cm2
あった。
(4) Preparation of Electrode Catalyst Layer by Applying and Drying Catalyst-Polymer Composition The catalyst prepared in (3) above was placed on the porous conductive sheet provided with the conductive intermediate layer prepared in (2). -The polymer composition was applied and dried. The obtained electrode catalyst layer had a coating amount of platinum of 1 mg / cm 2 and a coating amount of Nafion of 0.5 mg / cm 2 .

【0122】また、触媒−ポリマ組成物を塗布する際に
は、導電性中間層が設けられているためにこの組成物の
浸み込みは抑制された。
Further, when the catalyst-polymer composition was applied, penetration of the composition was suppressed because the conductive intermediate layer was provided.

【0123】(5)MEAの作成と燃料電池性能評価 前記(4)で作成した、多孔質導電シートからなる電極
基材、導電性中間層、そして電極触媒層から構成される
電極を用い、プロトン交換膜としてDuPont社製Nafion1
12を用いてホットプレスを行いMEAを作成した。こ
のMEAの燃料電池性能を電流−電圧(I−V)測定に
より行った。セル温度は60℃、ガス圧力は常圧にて燃
料電池性能を評価した。電流密度50mA/cm2での
電池端子電圧は0.70Vであり、触媒は有効に用いら
れていた。
(5) Preparation of MEA and Evaluation of Fuel Cell Performance Using the electrode composed of the porous conductive sheet, the conductive intermediate layer, and the electrode catalyst layer prepared in (4) above, Nafion1 manufactured by DuPont as an exchange membrane
Hot pressing was performed using No. 12 to prepare an MEA. The fuel cell performance of this MEA was measured by current-voltage (IV) measurement. The fuel cell performance was evaluated at a cell temperature of 60 ° C. and a gas pressure of normal pressure. The battery terminal voltage at a current density of 50 mA / cm 2 was 0.70 V, and the catalyst was effectively used.

【0124】実施例3 (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0.14
g/cm3、平均粒径100乃至200μm)が、重量
比で1:1に混合され、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せしめられた。この分散液が用
いられ、炭素繊維の短繊維に膨張黒鉛粉末が付着したシ
ートが、金網上に抄造された。水分を除去する目的で、
シートは、2枚の濾紙に挟まれ、軽く加圧された。その
後、濾紙が外され、シートは、乾燥された。乾燥後、シ
ートは、ロールプレスされ、多孔質導電シートが製造さ
れた。
Example 3 (1) Preparation of Porous Conductive Sheet Short fibers of PAN-based carbon fiber cut to a length of 12 mm and expanded graphite powder (manufactured by Toyo Carbon Co., Ltd., bulk density 0.14
g / cm 3 and an average particle size of 100 to 200 μm) were mixed at a weight ratio of 1: 1 and dispersed in an aqueous solution of sodium carboxymethylcellulose. Using this dispersion, a sheet in which expanded graphite powder was adhered to short fibers of carbon fibers was formed on a wire mesh. For the purpose of removing water,
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.

【0125】更に、この多孔質導電シートは、空気中で
200℃、30分の熱処理を受け、目付は60g/cm
2となった。PFAディスパージョン(ネオフロンPF
Aディスパージョン、ダイキン工業株式会社製)が含浸
せしめられ、その後、シートは、2枚の濾紙に挟まれ、
軽く加圧された。次いで、シートから濾紙が外され、シ
ートは、乾燥された。乾燥後のシートは、14.7kP
a(0.15kgf/cm2)に加圧されながら400
℃、3時間の熱処理を受け、多孔質導電シートが製造さ
れた。PFAの付き量は15重量%であった。
Further, this porous conductive sheet was subjected to a heat treatment in air at 200 ° C. for 30 minutes, and the basis weight was 60 g / cm.
It became 2 . PFA dispersion (neoflon PF
A dispersion, manufactured by Daikin Industries, Ltd.) and then the sheet is sandwiched between two pieces of filter paper,
Lightly pressurized. The filter paper was then removed from the sheet and the sheet was dried. The dried sheet is 14.7 kP
a (0.15 kgf / cm 2 )
C. for 3 hours to produce a porous conductive sheet. The amount of PFA applied was 15% by weight.

【0126】(2)導電性中間層の作成 無機導電性物質としてカーボンブラック(Cabot社製Vul
canXC-72)を、結着剤のポリマとしてポリフッ化ビニリ
デン(PVDF)のN−メチルピロリドン(NMP)溶
液によく分散し、前記(1)記載の多孔質導電性シート
に塗布後、90℃にて乾燥した。得られた導電性中間層
は、1mg/cm2(カーボンブラック90重量%、P
VDF10重量%)である。
(2) Preparation of Conductive Intermediate Layer Carbon black (Vull manufactured by Cabot) was used as the inorganic conductive substance.
canXC-72) as a binder polymer was well dispersed in an N-methylpyrrolidone (NMP) solution of polyvinylidene fluoride (PVDF), and applied to the porous conductive sheet described in (1) above. And dried. The obtained conductive intermediate layer was 1 mg / cm 2 (carbon black 90% by weight, P
VDF 10% by weight).

【0127】(3)触媒−ポリマ組成物の調製 Aldrich社製Nafion溶液に、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
を調製した。
(3) Preparation of Catalyst-Polymer Composition A catalyst-supporting carbon (catalyst;
Pt, carbon; VulcanXC-72, manufactured by Cabot, platinum loading;
(50 wt%) and stirred well to prepare a catalyst-polymer composition.

【0128】(4)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(2)で作成した導電性中間層を設けた多孔質導電
シート上に、前記(3)で調製した触媒−ポリマ組成物
を塗布、乾燥した。得られた電極触媒層は、白金の付き
量0.5mg/cm2、Nafionの付き量0.4mg/c
2であった。
(4) Preparation of Electrode Catalyst Layer by Applying and Drying Catalyst-Polymer Composition The catalyst prepared in (3) above was placed on the porous conductive sheet provided with the conductive intermediate layer prepared in (2). -The polymer composition was applied and dried. The obtained electrode catalyst layer had a coating amount of platinum of 0.5 mg / cm 2 and a coating amount of Nafion of 0.4 mg / c.
m 2 .

【0129】また、触媒−ポリマ組成物を塗布する際に
は、導電性中間層が設けられているためにこの組成物の
浸み込みは抑制された。
When the catalyst-polymer composition was applied, the conductive intermediate layer was provided, so that the penetration of the composition was suppressed.

【0130】(5)MEAの作成と燃料電池性能評価 前記(4)で作成した、多孔質導電シートからなる電極
基材、導電性中間層、そして電極触媒層から構成される
電極を用い、プロトン交換膜としてDuPont社製Nafion1
12を用いてホットプレスを行いMEAを作成した。こ
のMEAの燃料電池性能を電流−電圧(I−V)測定に
より行った。セル温度は60℃、ガス圧力は常圧にて燃
料電池性能を評価した。電流密度50mA/cm2での
電池端子電圧は0.70Vであり、触媒は有効に用いら
れていた。
(5) Preparation of MEA and fuel cell performance evaluation Using the electrode composed of the porous conductive sheet, the conductive intermediate layer, and the electrode catalyst layer prepared in the above (4), proton Nafion1 manufactured by DuPont as an exchange membrane
Hot pressing was performed using No. 12 to prepare an MEA. The fuel cell performance of this MEA was measured by current-voltage (IV) measurement. The fuel cell performance was evaluated at a cell temperature of 60 ° C. and a gas pressure of normal pressure. The battery terminal voltage at a current density of 50 mA / cm 2 was 0.70 V, and the catalyst was effectively used.

【0131】比較例2 実施例3(1)と同様に多孔質導電シートを作成し、導
電性中間層を設けることなく、この多孔質導電シート上
に実施例3(3)(4)と同様に電極触媒層を設けた。
Comparative Example 2 A porous conductive sheet was prepared in the same manner as in Example 3 (1), and a conductive intermediate layer was not provided on the porous conductive sheet in the same manner as in Example 3 (3) (4). Was provided with an electrode catalyst layer.

【0132】このとき、触媒−ポリマ組成物を塗布する
と導電性中間層がないために、この組成物は多孔質導電
シートに平均25μm浸み込んだ。
At this time, when the catalyst-polymer composition was applied, there was no conductive intermediate layer, so that the composition permeated an average of 25 μm into the porous conductive sheet.

【0133】さらに、実施例3(5)に従って、この導
電性中間層のない電極を用いてMEAを作成し燃料電池
評価を行った。電流密度50mA/cm2での電池端子
電圧は0.60Vであり実施例3に比べて有効に用いら
れている触媒量は少なかった。
Further, according to Example 3 (5), an MEA was prepared using the electrode without the conductive intermediate layer, and the fuel cell was evaluated. The battery terminal voltage at a current density of 50 mA / cm 2 was 0.60 V, and the amount of the catalyst used effectively was smaller than that in Example 3.

【0134】実施例4 (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PF−4、かさ密度
0.039g/cm3、平均粒径300乃至500μ
m)が、重量比で1:1に混合され、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せしめられた。こ
の分散液が用いられ、炭素繊維の短繊維に膨張黒鉛粉末
が付着したシートが、金網上に抄造された。水分を除去
する目的で、シートは、2枚の濾紙に挟まれ、軽く加圧
された。その後、濾紙が外され、シートは、乾燥され
た。乾燥後、シートは、ロールプレスされ、多孔質導電
シートが製造された。目付は60g/cm2であった。
Example 4 (1) Preparation of Porous Conductive Sheet Short fibers of PAN-based carbon fibers cut to a length of 12 mm and expanded graphite powder (PF-4 manufactured by Toyo Carbon Co., Ltd., bulk density 0.039 g / cm 3 , average particle size 300-500μ
m) was mixed 1: 1 by weight and dispersed in aqueous sodium carboxymethylcellulose. Using this dispersion, a sheet in which expanded graphite powder was adhered to short fibers of carbon fibers was formed on a wire mesh. The sheet was sandwiched between two pieces of filter paper and lightly pressed to remove moisture. 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 basis weight was 60 g / cm 2 .

【0135】更に、この多孔質導電シートは、空気中で
200℃、30分の熱処理を受け、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)が含浸せしめられ、その後、シートは、
2枚の濾紙に挟まれ、軽く加圧された。次いで、シート
から濾紙が外され、シートは乾燥された。乾燥後のシー
トは、14.7kPa(0.15kgf/cm2)に加
圧されながら400℃、3時間の熱処理を受け、多孔質
導電シートが製造された。PFAの付き量は15重量%
であった。
Further, the porous conductive sheet is subjected to a heat treatment in air at 200 ° C. for 30 minutes, and impregnated with PFA dispersion (neoflon PFA dispersion, manufactured by Daikin Industries, Ltd.).
It was sandwiched between two pieces of filter paper and lightly pressed. The filter paper was then removed from the sheet and the sheet was dried. The dried sheet was subjected to a heat treatment at 400 ° C. for 3 hours while being pressed at 14.7 kPa (0.15 kgf / cm 2 ) to produce a porous conductive sheet. 15% by weight of PFA
Met.

【0136】(2)導電性中間層の作成 無機導電性物質としてカーボンブラック(Cabot社製Vul
canXC-72)を、結着剤のポリマとしてポリフッ化ビニリ
デン(PVDF)のN−メチルピロリドン(NMP)溶
液によく分散し、前記(1)記載の多孔質導電性シート
に塗布後、直ちにメタノールに浸漬し湿式凝固を行っ
た。10分後取り出し、90℃にて乾燥した。得られた
導電性中間層は、1mg/cm2(カーボンブラック9
0重量%、PVDF10重量%)である。
(2) Preparation of Conductive Intermediate Layer Carbon black (Vull manufactured by Cabot) was used as an inorganic conductive substance.
canXC-72) is well dispersed in an N-methylpyrrolidone (NMP) solution of polyvinylidene fluoride (PVDF) as a binder polymer, and is immediately applied to methanol after being applied to the porous conductive sheet described in (1) above. It was immersed and wet solidified. After 10 minutes, it was taken out and dried at 90 ° C. The obtained conductive intermediate layer was 1 mg / cm 2 (carbon black 9
0% by weight and PVDF 10% by weight).

【0137】(3)触媒−ポリマ組成物の調製 Aldrich社製Nafion溶液に、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
を調製した。
(3) Preparation of Catalyst-Polymer Composition A catalyst-supporting carbon (catalyst;
Pt, carbon; VulcanXC-72, manufactured by Cabot, platinum loading;
(50 wt%) and stirred well to prepare a catalyst-polymer composition.

【0138】(4)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(2)で作成した導電性中間層を設けた多孔質導電
シート上に、前記(3)で調製した触媒−ポリマ組成物
を塗布、乾燥した。得られた電極触媒層は、白金の付き
量0.5mg/cm2、Nafionの付き量0.4mg/c
2であった。
(4) Preparation of Electrode Catalyst Layer by Applying and Drying Catalyst-Polymer Composition The catalyst prepared in (3) above was placed on the porous conductive sheet provided with the conductive intermediate layer prepared in (2). -The polymer composition was applied and dried. The obtained electrode catalyst layer had a coating amount of platinum of 0.5 mg / cm 2 and a coating amount of Nafion of 0.4 mg / c.
m 2 .

【0139】また、触媒−ポリマ組成物を塗布する際に
は、導電性中間層が設けられているためにこの組成物の
浸み込みは抑制※された。
When the catalyst-polymer composition was applied, penetration of the composition was suppressed * due to the provision of the conductive intermediate layer.

【0140】(5)MEAの作成と燃料電池性能評価 前記(4)で作成した、多孔質導電シートからなる電極
基材、導電性中間層、そして電極触媒層から構成される
電極を用い、プロトン交換膜としてDuPont社製Nafion1
12を用いてホットプレスを行いMEAを作成した。こ
のMEAの燃料電池性能を電流−電圧(I−V)測定に
より行った。セル温度は60℃、ガス圧力は常圧にて燃
料電池性能を評価した。電流密度50mA/cm2での
電池端子電圧は0.70Vであり、触媒は有効に用いら
れていた。
(5) Preparation of MEA and Evaluation of Fuel Cell Performance Using the electrode composed of the porous conductive sheet, the conductive intermediate layer, and the electrode catalyst layer prepared in (4) above, Nafion1 manufactured by DuPont as an exchange membrane
Hot pressing was performed using No. 12 to prepare an MEA. The fuel cell performance of this MEA was measured by current-voltage (IV) measurement. The fuel cell performance was evaluated at a cell temperature of 60 ° C. and a gas pressure of normal pressure. The battery terminal voltage at a current density of 50 mA / cm 2 was 0.70 V, and the catalyst was effectively used.

【0141】実施例5 (1)多孔質導電シートの作成 実施例4(1)と同様に多孔質導電シートを作成した。Example 5 (1) Preparation of porous conductive sheet A porous conductive sheet was prepared in the same manner as in Example 4 (1).

【0142】(2)導電性中間層の作成 無機導電性物質としてアセチレンブラック(電気化学工
業社製デンカブラック)を、結着剤のポリマとしてポリ
フッ化ビニリデン(PVDF)のN−メチルピロリドン
(NMP)溶液によく分散し、前記(1)記載の多孔質
導電性シートに塗布後、直ちにメタノールに浸漬し湿式
凝固を行った。10分後取り出し、90℃にて乾燥し
た。得られた導電性中間層は、カーボンブラックとPV
DFの付き量(重量比9:1)は1mg/cm2であっ
た。
(2) Preparation of Conductive Intermediate Layer Acetylene black (Denka Black manufactured by Denki Kagaku Kogyo Co., Ltd.) was used as the inorganic conductive substance, and N-methylpyrrolidone (NMP) of polyvinylidene fluoride (PVDF) was used as the binder polymer. It was well dispersed in a solution, applied to the porous conductive sheet described in (1) above, and immediately immersed in methanol for wet coagulation. After 10 minutes, it was taken out and dried at 90 ° C. The obtained conductive intermediate layer was made of carbon black and PV.
The attached amount of DF (weight ratio 9: 1) was 1 mg / cm 2 .

【0143】(3)触媒−ポリマ組成物の調製 Aldrich社製Nafion溶液に、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
を調製した。
(3) Preparation of Catalyst-Polymer Composition The catalyst-supporting carbon (catalyst;
Pt, carbon; VulcanXC-72, manufactured by Cabot, platinum loading;
(50 wt%) and stirred well to prepare a catalyst-polymer composition.

【0144】(4)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(2)で作成した導電性中間層を設けた多孔質導電
シート上に、前記(3)で調製した触媒−ポリマ組成物
を塗布、乾燥した。得られた電極触媒層は、白金の付き
量0.5mg/cm2、Nafionの付き量0.4mg/c
2であった。
(4) Preparation of Electrode Catalyst Layer by Applying and Drying Catalyst-Polymer Composition The catalyst prepared in (3) above was placed on the porous conductive sheet provided with the conductive intermediate layer prepared in (2). -The polymer composition was applied and dried. The obtained electrode catalyst layer had a coating amount of platinum of 0.5 mg / cm 2 and a coating amount of Nafion of 0.4 mg / c.
m 2 .

【0145】また、触媒−ポリマ組成物を塗布する際に
は、導電性中間層が設けられているためにこの組成物の
浸み込みは抑制された。
When the catalyst-polymer composition was applied, the conductive intermediate layer was provided, so that the penetration of the composition was suppressed.

【0146】(5)MEAの作成と燃料電池性能評価 前記(4)で作成した、多孔質導電シートからなる電極
基材、導電性中間層、そして電極触媒層から構成される
電極を用い、プロトン交換膜としてDuPont社製Nafion1
12を用いてホットプレスを行いMEAを作成した。こ
のMEAの燃料電池性能を電流−電圧(I−V)測定に
より行った。セル温度は60℃、ガス圧力は常圧にて燃
料電池性能を評価した。電流密度50mA/cm2での
電池端子電圧は0.75Vであり、触媒は有効に用いら
れていた。
(5) Preparation of MEA and fuel cell performance evaluation Using the electrode composed of the porous conductive sheet, the conductive intermediate layer, and the electrode catalyst layer prepared in (4) above, Nafion1 manufactured by DuPont as an exchange membrane
Hot pressing was performed using No. 12 to prepare an MEA. The fuel cell performance of this MEA was measured by current-voltage (IV) measurement. The fuel cell performance was evaluated at a cell temperature of 60 ° C. and a gas pressure of normal pressure. The battery terminal voltage at a current density of 50 mA / cm 2 was 0.75 V, and the catalyst was used effectively.

【0147】比較例3 実施例5(1)と同様に多孔質導電シートを作成し、実
施例5(2)と同様に導電性中間層を設けた。導電性中
間層は0.5mg/cm2(カーボン0.45mg/c
2、PVDF0.05mg/cm2)であった。この多
孔質導電シート上に実施例5(3)(4)と同様に電極
触媒層を設けた。
Comparative Example 3 A porous conductive sheet was prepared in the same manner as in Example 5 (1), and a conductive intermediate layer was provided as in Example 5 (2). The conductive intermediate layer is 0.5 mg / cm 2 (carbon 0.45 mg / c
m 2 , PVDF 0.05 mg / cm 2 ). An electrode catalyst layer was provided on this porous conductive sheet in the same manner as in Examples 5 (3) and (4).

【0148】このとき、触媒−ポリマ組成物を塗布する
と導電性中間層が少ないために、この組成物は多孔質導
電シートに浸み込んだ平均25μm。
At this time, when the catalyst-polymer composition was applied, since the conductive intermediate layer was small, this composition had an average of 25 μm soaked in the porous conductive sheet.

【0149】さらに、実施例5(5)に従って、この導
電性中間層のない電極を用いてMEAを作成し燃料電池
評価を行った。電流密度50mA/cm2での電池端子
電圧は0.65Vであり実施例5に比べて有効に用いら
れている触媒量は少なかった。
Further, in accordance with Example 5 (5), an MEA was prepared using the electrode without the conductive intermediate layer, and the fuel cell was evaluated. The battery terminal voltage at a current density of 50 mA / cm 2 was 0.65 V, and the amount of the catalyst used effectively was smaller than that of Example 5.

【0150】実施例6 (1)多孔質導電シートの作成 実施例4(1)と同様に多孔質導電シートを作成した。Example 6 (1) Preparation of Porous Conductive Sheet A porous conductive sheet was prepared in the same manner as in Example 4 (1).

【0151】(2)導電性中間層の作成 無機導電性物質としてアセチレンブラック(電気化学工
業社製デンカブラック)を、結着剤のポリマとしてポリ
フッ化ビニリデン(PVDF)のN−メチルピロリドン
(NMP)溶液によく分散し、前記(1)記載の多孔質
導電性シートに塗布後、直ちにメタノールに浸漬し湿式
凝固を行った。10分後取り出し、90℃にて乾燥し
た。得られた導電性中間層は、カーボンブラックとPV
DFの付き量(重量比)は1mg/cm2である。
(2) Preparation of Conductive Intermediate Layer Acetylene black (Denka Black manufactured by Denki Kagaku Kogyo Co., Ltd.) was used as the inorganic conductive material, and N-methylpyrrolidone (NMP) of polyvinylidene fluoride (PVDF) was used as the binder polymer. It was well dispersed in a solution, applied to the porous conductive sheet described in (1) above, and immediately immersed in methanol for wet coagulation. After 10 minutes, it was taken out and dried at 90 ° C. The obtained conductive intermediate layer was made of carbon black and PV.
The amount of DF (weight ratio) is 1 mg / cm 2 .

【0152】(3)触媒−ポリマ組成物の調製 Aldrich社製Nafion溶液に、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
を調製した。
(3) Preparation of Catalyst-Polymer Composition A catalyst-supporting carbon (catalyst;
Pt, carbon; VulcanXC-72, manufactured by Cabot, platinum loading;
(50 wt%) and stirred well to prepare a catalyst-polymer composition.

【0153】(4)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(2)で作成した導電性中間層を設けた多孔質導電
シート上に、前記(3)で調製した触媒−ポリマ組成物
を塗布、乾燥した。得られた電極触媒層は、白金の付き
量0.5mg/cm2、Nafionの付き量0.4mg/c
2であった。
(4) Preparation of Electrode Catalyst Layer by Applying and Drying Catalyst-Polymer Composition The catalyst prepared in (3) above is provided on the porous conductive sheet provided with the conductive intermediate layer prepared in (2). -The polymer composition was applied and dried. The obtained electrode catalyst layer had a coating amount of platinum of 0.5 mg / cm 2 and a coating amount of Nafion of 0.4 mg / c.
m 2 .

【0154】また、触媒−ポリマ組成物を塗布する際に
は、導電性中間層が設けられているためにこの組成物の
浸み込みは抑制された。
When the catalyst-polymer composition was applied, penetration of the composition was suppressed because of the provision of the conductive intermediate layer.

【0155】(5)MEAの作成と燃料電池性能評価 前記(4)で作成した、多孔質導電シートからなる電極
基材、導電性中間層、そして電極触媒層から構成される
電極を用い、プロトン交換膜としてDuPont社製Nafion1
12を用いてホットプレスを行いMEAを作成した。こ
のMEAの燃料電池性能を電流−電圧(I−V)測定に
より行った。セル温度は60℃、ガス圧力は常圧にて燃
料電池性能を評価した。電流密度50mA/cm2での
電池端子電圧は0.80Vであり、触媒は有効に用いら
れていた。
(5) Preparation of MEA and Evaluation of Fuel Cell Performance Using the electrode composed of the porous conductive sheet, the conductive intermediate layer, and the electrode catalyst layer prepared in (4) above, proton Nafion1 manufactured by DuPont as an exchange membrane
Hot pressing was performed using No. 12 to prepare an MEA. The fuel cell performance of this MEA was measured by current-voltage (IV) measurement. The fuel cell performance was evaluated at a cell temperature of 60 ° C. and a gas pressure of normal pressure. The battery terminal voltage at a current density of 50 mA / cm 2 was 0.80 V, and the catalyst was used effectively.

【0156】実施例7 (1)多孔質導電シートの作成 実施例4(1)と同様に多孔質導電シートを作成した。Example 7 (1) Preparation of Porous Conductive Sheet A porous conductive sheet was prepared in the same manner as in Example 4 (1).

【0157】(2)導電性中間層の作成 無機導電性物質としてアセチレンブラック(電気化学工
業社製デンカブラック)を、結着剤のポリマとしてポリ
フッ化ビニリデン(PVDF)のN−メチルピロリドン
(NMP)溶液によく分散し、前記(1)記載の多孔質
導電性シートに塗布後、直ちにメタノールに浸漬し湿式
凝固を行った。10分後取り出し、90℃にて乾燥し
た。得られた導電性中間層は、カーボンブラックとPV
DFの付き量(重量比9:1)1mg/cm2である。
(2) Preparation of Conductive Intermediate Layer Acetylene black (Denka Black manufactured by Denki Kagaku Kogyo Co., Ltd.) as an inorganic conductive substance, and N-methylpyrrolidone (NMP) of polyvinylidene fluoride (PVDF) as a binder polymer It was well dispersed in a solution, applied to the porous conductive sheet described in (1) above, and immediately immersed in methanol for wet coagulation. After 10 minutes, it was taken out and dried at 90 ° C. The obtained conductive intermediate layer was made of carbon black and PV.
The amount of DF applied (weight ratio 9: 1) was 1 mg / cm 2 .

【0158】(3)触媒−ポリマ組成物の調製 Aldrich社製Nafion溶液に、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
を調製した。
(3) Preparation of Catalyst-Polymer Composition A catalyst carrying carbon (catalyst;
Pt, carbon; VulcanXC-72, manufactured by Cabot, platinum loading;
(50 wt%) and stirred well to prepare a catalyst-polymer composition.

【0159】(4)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(2)で作成した導電性中間層を設けた多孔質導電
シート上に、前記(3)で調製した触媒−ポリマ組成物
を塗布後、直ちにメタノールに浸漬した。10分間浸漬
後90℃にて乾燥した。得られた電極触媒層は、白金の
付き量0.5mg/cm2、Nafionの付き量0.4mg
/cm2であり、三次元網目常備多孔質構造を有してい
た。
(4) Preparation of Electrode Catalyst Layer by Applying and Drying Catalyst-Polymer Composition The catalyst prepared in (3) above was provided on the porous conductive sheet provided with the conductive intermediate layer prepared in (2). -Immediately after application of the polymer composition, it was immersed in methanol. After immersion for 10 minutes, it was dried at 90 ° C. The obtained electrode catalyst layer had a coating amount of platinum of 0.5 mg / cm 2 and a coating amount of Nafion of 0.4 mg / cm 2 .
/ Cm 2 , and had a three-dimensional network prepared porous structure.

【0160】また、触媒−ポリマ組成物を塗布する際に
は、導電性中間層が設けられているためにこの組成物の
浸み込みは抑制された。
When the catalyst-polymer composition was applied, penetration of the composition was suppressed because of the provision of the conductive intermediate layer.

【0161】(5)MEAの作成と燃料電池性能評価 前記(4)で作成した、多孔質導電シートからなる電極
基材、導電性中間層、そして電極触媒層から構成される
電極を用い、プロトン交換膜としてDuPont社製Nafion1
12を用いてホットプレスを行いMEAを作成した。こ
のMEAの燃料電池性能を電流−電圧(I−V)測定に
より行った。セル温度は60℃、ガス圧力は常圧にて燃
料電池性能を評価した。電流密度50mA/cm2での
電池端子電圧は0.85Vであり、触媒は有効に用いら
れていた。
(5) Preparation of MEA and fuel cell performance evaluation Using the electrode composed of the porous conductive sheet, the conductive intermediate layer, and the electrode catalyst layer prepared in (4) above, Nafion1 manufactured by DuPont as an exchange membrane
Hot pressing was performed using No. 12 to prepare an MEA. The fuel cell performance of this MEA was measured by current-voltage (IV) measurement. The fuel cell performance was evaluated at a cell temperature of 60 ° C. and a gas pressure of normal pressure. The battery terminal voltage at a current density of 50 mA / cm 2 was 0.85 V, and the catalyst was used effectively.

【0162】実施例8 (1)多孔質導電シートの作成 実施例4(1)と同様に多孔質導電シートを作成した。Example 8 (1) Preparation of Porous Conductive Sheet A porous conductive sheet was prepared in the same manner as in Example 4 (1).

【0163】(2)導電性中間層の作成 無機導電性物質としてケッチェンブラック(ライオン社
製)を、結着剤のポリマとしてポリフッ化ビニリデン
(PVDF)のN−メチルピロリドン(NMP)溶液に
よく分散し、前記(1)記載の多孔質導電性シートに塗
布後、90℃にて乾燥した。得られた導電性中間層は、
カーボンブラックとPVDFの付き量(重量比9:1)
1mg/cm2であった。
(2) Preparation of Conductive Intermediate Layer Ketjen Black (manufactured by Lion Corporation) as an inorganic conductive material and N-methylpyrrolidone (NMP) solution of polyvinylidene fluoride (PVDF) as a binder polymer are often used. It was dispersed, applied to the porous conductive sheet described in (1) above, and dried at 90 ° C. The obtained conductive intermediate layer is
Attached amount of carbon black and PVDF (weight ratio 9: 1)
It was 1 mg / cm 2 .

【0164】(3)触媒−ポリマ組成物の調製 Aldrich社製Nafion溶液に、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
を調製した。
(3) Preparation of Catalyst-Polymer Composition A catalyst-supporting carbon (catalyst;
Pt, carbon; VulcanXC-72, manufactured by Cabot, platinum loading;
(50 wt%) and stirred well to prepare a catalyst-polymer composition.

【0165】(4)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(2)で作成した導電性中間層を設けた多孔質導電
シート上に、前記(3)で調製した触媒−ポリマ組成物
を塗布90℃にて乾燥した。得られた電極触媒層は、白
金の付き量0.5mg/cm2、Nafionの付き量0.4
mg/cm2であった。
(4) Preparation of Electrode Catalyst Layer by Applying and Drying Catalyst-Polymer Composition The catalyst prepared in (3) above was provided on the porous conductive sheet provided with the conductive intermediate layer prepared in (2). The polymer composition was dried at 90 ° C. The obtained electrode catalyst layer had a coating amount of platinum of 0.5 mg / cm 2 and a coating amount of Nafion of 0.4.
mg / cm 2 .

【0166】また、触媒−ポリマ組成物を塗布する際に
は、導電性中間層が設けられているためにこの組成物の
浸み込みは抑制された。
In addition, when the catalyst-polymer composition was applied, the conductive intermediate layer was provided, so that the penetration of the composition was suppressed.

【0167】(5)MEAの作成と燃料電池性能評価 前記(4)で作成した、多孔質導電シートからなる電極
基材、導電性中間層、そして電極触媒層から構成される
電極を用い、プロトン交換膜としてDuPont社製Nafion1
12を用いてホットプレスを行いMEAを作成した。こ
のMEAの燃料電池性能を電流−電圧(I−V)測定に
より行った。セル温度は60℃、ガス圧力は常圧にて燃
料電池性能を評価した。電流密度50mA/cm2での
電池端子電圧は0.7Vであり、触媒は有効に用いられ
ていた。
(5) Preparation of MEA and Evaluation of Fuel Cell Performance Using the electrode composed of the porous conductive sheet, the conductive intermediate layer, and the electrode catalyst layer prepared in (4) above, Nafion1 manufactured by DuPont as an exchange membrane
Hot pressing was performed using No. 12 to prepare an MEA. The fuel cell performance of this MEA was measured by current-voltage (IV) measurement. The fuel cell performance was evaluated at a cell temperature of 60 ° C. and a gas pressure of normal pressure. The battery terminal voltage at a current density of 50 mA / cm 2 was 0.7 V, and the catalyst was used effectively.

【0168】実施例9 (1)多孔質導電シートの作成 実施例4(1)と同様に多孔質導電シートを作成した。Example 9 (1) Preparation of porous conductive sheet A porous conductive sheet was prepared in the same manner as in Example 4 (1).

【0169】(2)導電性中間層の作成 無機導電性物質としてミルド炭素繊維(東レ(株)製ト
レカミルドファイバーMLD−30)を、結着剤のポリ
マとしてポリフッ化ビニリデン(PVDF)のN−メチ
ルピロリドン(NMP)溶液によく分散し、前記(1)
記載の多孔質導電性シートに塗布後、90℃にて乾燥し
た。得られた導電性中間層は、1mg/cm2(カーボ
ン90重量%、PVDF10重量%)である。
(2) Preparation of Conductive Intermediate Layer Milled carbon fiber (Trecamyl Fiber MLD-30 manufactured by Toray Industries, Inc.) was used as the inorganic conductive material, and N-polyvinylidene fluoride (PVDF) was used as the binder polymer. Well dispersed in methylpyrrolidone (NMP) solution,
It was dried at 90 ° C. after application to the porous conductive sheet described. The obtained conductive intermediate layer is 1 mg / cm 2 (carbon 90% by weight, PVDF 10% by weight).

【0170】(3)触媒−ポリマ組成物の調製 Aldrich社製Nafion溶液に、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
を調製した。
(3) Preparation of Catalyst-Polymer Composition A catalyst-supporting carbon (catalyst;
Pt, carbon; VulcanXC-72, manufactured by Cabot, platinum loading;
(50 wt%) and stirred well to prepare a catalyst-polymer composition.

【0171】(4)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(2)で作成した導電性中間層を設けた多孔質導電
シート上に、前記(3)で調製した触媒−ポリマ組成物
を塗布90℃にて乾燥した。得られた電極触媒層は、白
金の付き量0.5mg/cm2、Nafionの付き量0.4
mg/cm2であった。
(4) Preparation of Electrode Catalyst Layer by Applying and Drying Catalyst-Polymer Composition The catalyst prepared in (3) above was provided on the porous conductive sheet provided with the conductive intermediate layer prepared in (2). The polymer composition was dried at 90 ° C. The obtained electrode catalyst layer had a coating amount of platinum of 0.5 mg / cm 2 and a coating amount of Nafion of 0.4.
mg / cm 2 .

【0172】また、触媒−ポリマ組成物を塗布する際に
は、導電性中間層が設けられているためにこの組成物の
浸み込みは抑制された。
Further, when the catalyst-polymer composition was applied, penetration of the composition was suppressed because the conductive intermediate layer was provided.

【0173】(5)MEAの作成と燃料電池性能評価 前記(4)で作成した、多孔質導電シートからなる電極
基材、導電性中間層、そして電極触媒層から構成される
電極を用い、プロトン交換膜としてDuPont社製Nafion1
12を用いてホットプレスを行いMEAを作成した。こ
のMEAの燃料電池性能を電流−電圧(I−V)測定に
より行った。セル温度は60℃、ガス圧力は常圧にて燃
料電池性能を評価した。電流密度50mA/cm2での
電池端子電圧は0.75Vであり、触媒は有効に用いら
れていた。
(5) Preparation of MEA and Evaluation of Fuel Cell Performance Using the electrode composed of the porous conductive sheet, the conductive intermediate layer, and the electrode catalyst layer prepared in (4) above, proton Nafion1 manufactured by DuPont as an exchange membrane
Hot pressing was performed using No. 12 to prepare an MEA. The fuel cell performance of this MEA was measured by current-voltage (IV) measurement. The fuel cell performance was evaluated at a cell temperature of 60 ° C. and a gas pressure of normal pressure. The battery terminal voltage at a current density of 50 mA / cm 2 was 0.75 V, and the catalyst was used effectively.

【0174】[0174]

【発明の効果】本発明において、導電性中間層を設ける
ことにより、電極基材に浸み込んで有効に用いられない
触媒を減らすことが可能となり、電極触媒層中の高価な
触媒量が低減され、もって大幅なコストダウンが達成さ
れる。また、前記導電性中間層の疎水性ポリマにより、
カソードで生成される水が電極触媒層、導電性中間層、
あるいは電極基材で詰まるフラッディング現象が発生し
難くなると共に、前記疎水性ポリマは、前記導電性中間
層の無機導電性物質間の結着の働きも奏するものであ
る。
According to the present invention, by providing a conductive intermediate layer, it is possible to reduce the amount of catalyst that is not effectively used because it penetrates into the electrode substrate, and the amount of expensive catalyst in the electrode catalyst layer is reduced. As a result, a significant cost reduction is achieved. Further, by the hydrophobic polymer of the conductive intermediate layer,
The water generated at the cathode is an electrode catalyst layer, a conductive intermediate layer,
Alternatively, the flooding phenomenon in which the electrode base material is clogged hardly occurs, and the hydrophobic polymer also exerts a function of binding between the inorganic conductive substances of the conductive intermediate layer.

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

【図1】 本発明実施例の断面である。FIG. 1 is a cross section of an embodiment of the present invention.

【図2】 比較例の断面である。FIG. 2 is a cross section of a comparative example.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1:本発明実施例の断面の走査型電子顕微鏡写真 2:本発明実施例の断面区分表示 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 4:比較例の断面の走査型電子顕微鏡写真 5:比較例の断面区分表示 6:比較例の断面のX線マイクロアナリシスによる白金
の分布図
1: Scanning electron micrograph of the cross section of the embodiment of the present invention 2: Sectional display of the cross section of the embodiment of the present invention 3: Distribution map of platinum by X-ray microanalysis of the cross section of the embodiment of the present invention 4: Scanning of the cross section of the comparative example Type electron micrograph 5: Sectional display of comparative example 6: Platinum distribution diagram by X-ray microanalysis of cross section of comparative example

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Fターム(参考) 5H018 AA06 AS01 CC06 DD05 DD06 DD08 EE03 EE05 EE06 EE08 EE18 EE19 5H026 AA06 CX02 CX03 CX05 EE02 EE05 EE06 EE19  ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page F term (reference) 5H018 AA06 AS01 CC06 DD05 DD06 DD08 EE03 EE05 EE06 EE08 EE18 EE19 5H026 AA06 CX02 CX03 CX05 EE02 EE05 EE06 EE19

Claims (23)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 少なくとも、電極基材と電極触媒層とか
ら構成され、かつ、該電極基材が不織構造を有する多孔
質導電シートを有してなる電極において、該電極基材と
該電極触媒層との間に、少なくとも無機導電性物質と疎
水性ポリマとを含む導電性中間層が設けられてなること
を特徴とする電極。
1. An electrode comprising at least an electrode substrate and an electrode catalyst layer, wherein the electrode substrate has a porous conductive sheet having a nonwoven structure, wherein the electrode substrate and the electrode An electrode, wherein a conductive intermediate layer containing at least an inorganic conductive substance and a hydrophobic polymer is provided between the catalyst layer and the catalyst layer.
【請求項2】無機導電性物質が粒子状あるいは繊維状の
形態を有するものである請求項1記載の電極。
2. The electrode according to claim 1, wherein the inorganic conductive substance has a particulate or fibrous form.
【請求項3】無機導電性物質が炭素材を主成分とするも
のである請求項1または2に記載の電極。
3. The electrode according to claim 1, wherein the inorganic conductive substance is mainly composed of a carbon material.
【請求項4】炭素材が、カーボンブラック、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、
およびこれらの加工処理物質からなる群から選ばれる一
種以上を必須成分とする請求項3に記載の電極。
4. The carbon material is a carbon black, a fired body from polyacrylonitrile, a fired body from pitch, graphite,
4. The electrode according to claim 3, wherein at least one selected from the group consisting of these processed substances is an essential component.
【請求項5】疎水性ポリマがフッ素原子を有するもので
ある請求項1〜4のいずれかに記載の電極。
5. The electrode according to claim 1, wherein the hydrophobic polymer has a fluorine atom.
【請求項6】多孔質導電シートが無機導電性繊維を用い
たものである請求項1〜5のいずれかに記載の電極。
6. The electrode according to claim 1, wherein the porous conductive sheet uses inorganic conductive fibers.
【請求項7】無機導電性繊維が炭素繊維である請求項6
に記載の電極。
7. The method according to claim 6, wherein the inorganic conductive fibers are carbon fibers.
The electrode according to 1.
【請求項8】炭素繊維が、ポリアクリロニトリル、ピッ
チ、あるいは低沸点有機化合物を原料とするものである
請求項7に記載の電極。
8. The electrode according to claim 7, wherein the carbon fiber is made of polyacrylonitrile, pitch or a low-boiling organic compound.
【請求項9】多孔質導電シートが、抄紙体、フェルト、
不織布のいずれかである構請求項1〜8のいずれかに記
載の電極。
9. The method according to claim 9, wherein the porous conductive sheet is made of paper, felt,
The electrode according to any one of claims 1 to 8, wherein the electrode is any one of a nonwoven fabric.
【請求項10】多孔質導電シートが無機導電性粒子を含
むものである構請求項1〜9のいずれかに記載の電極。
10. The electrode according to claim 1, wherein the porous conductive sheet contains inorganic conductive particles.
【請求項11】無機導電性粒子が柔軟性を有する無機導
電性粒子である請求項10に記載の電極。
11. The electrode according to claim 10, wherein the inorganic conductive particles are flexible inorganic conductive particles.
【請求項12】柔軟性を有する無機導電性粒子が膨張黒
鉛である請求項11に記載の電極。
12. The electrode according to claim 11, wherein the flexible inorganic conductive particles are expanded graphite.
【請求項13】多孔質導電シートが撥水性の高分子を含
む請求項1〜12のいずれかに記載の電極。
13. The electrode according to claim 1, wherein the porous conductive sheet contains a water-repellent polymer.
【請求項14】電極触媒層が、少なくとも触媒粒子と導
電性粒子と高分子化合物を含む請求項1〜13のいずれ
かに記載の電極。
14. The electrode according to claim 1, wherein the electrode catalyst layer contains at least catalyst particles, conductive particles, and a polymer compound.
【請求項15】触媒粒子が、白金、ルテニウム、パラジ
ウム、イリジウム、金から選ばれる一種以上の元素を含
むものである請求項14に記載の電極。
15. The electrode according to claim 14, wherein the catalyst particles contain at least one element selected from platinum, ruthenium, palladium, iridium, and gold.
【請求項16】高分子化合物がフッ素原子を含むもので
ある請求項14に記載の電極。
16. The electrode according to claim 14, wherein the polymer compound contains a fluorine atom.
【請求項17】高分子化合物がプロトン交換基を有する
ものである請求項14に記載の電極。
17. The electrode according to claim 14, wherein the polymer compound has a proton exchange group.
【請求項18】多孔質導電シート上に、少なくとも無機
導電性物質を含む導電性中間層を設け、さらに該導電性
中間層上に電極触媒層を設けることを特徴とする請求項
1〜17のいずれかに記載の電極の製造方法。
18. The method according to claim 1, wherein a conductive intermediate layer containing at least an inorganic conductive substance is provided on the porous conductive sheet, and an electrode catalyst layer is provided on the conductive intermediate layer. A method for producing an electrode according to any one of the above.
【請求項19】請求項1〜17のいずれかに記載の電極
を用いた電気化学装置。
19. An electrochemical device using the electrode according to claim 1.
【請求項20】 請求項1〜17のいずれかに記載の電
極を用いた燃料電池。
20. A fuel cell using the electrode according to claim 1.
【請求項21】 電解質が固体高分子型である請求項2
0記載の燃料電池。
21. The electrolyte according to claim 2, wherein the electrolyte is a solid polymer type.
0 fuel cell.
【請求項22】 請求項20または21に記載の燃料電
池を電力供給源とする移動体。
22. A moving object using the fuel cell according to claim 20 as a power supply source.
【請求項23】 請求項20または21に記載の燃料電
池を電力供給源とする自動車。
23. An automobile using the fuel cell according to claim 20 as a power supply source.
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