JP2004179095A - Substrate for fuel cells, electrode for fuel cells, and method of manufacturing substrate for fuel cell - Google Patents

Substrate for fuel cells, electrode for fuel cells, and method of manufacturing substrate for fuel cell Download PDF

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Shuichi Suzuki
修一 鈴木
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Sanyo Electric Co Ltd
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To prevent drop in water repellency of a gas diffusion electrode and drop in performance of a fuel cell. <P>SOLUTION: Carbon paper is immersed in a PTFE dispersion (S10), heated and dried to remove a solvent (S12). The carbon paper from which the solvent is removed is heated to the melting point or more of the PTFE to melt the PTFE contained in the carbon paper (S14). Ionized radiation is radiated to the carbon paper in which the PTFE is melted (S16). The PTFE is crosslinked, and the carbon paper covered with the crosslinked PTFE is manufactured. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池用基体およびそれを電極に用いた燃料電池に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、エネルギー変換効率が高く、かつ、発電反応により有害物質を発生しない燃料電池が注目を浴びている。こうした燃料電池の一つとして、100℃以下の低温で作動する固体高分子型燃料電池が知られている。
【0003】
固体高分子型燃料電池は、電解質膜である固体高分子膜を燃料極と空気極との間に配した基本構造を有し、燃料極に水素、空気極に酸素を供給し、以下の電気化学反応により発電する。
燃料極:H→2H+2e(1)
空気極:1/2O+2H+2e→HO(2)
燃料極および空気極は、触媒層とガス拡散層が積層した構造からなる。各電極の触媒層が固体高分子膜を挟んで対向配置され、燃料電池を構成する。触媒層は、触媒を担持した炭素粒子がイオン交換樹脂などにより結着されてなる層である。ガス拡散層は酸素や水素の通過経路となる。発電反応は、触媒層における触媒、イオン交換樹脂および水素のいわゆる三相界面において進行する。
【0004】
燃料極においては、供給された燃料中に含まれる水素が上記式(1)に示されるように水素イオンと電子に分解される。このうち水素イオンは固体高分子電解質膜の内部を空気極に向かって移動し、電子は外部回路を通って空気極に移動する。一方、空気極においては、供給された酸化剤に含まれる酸素が燃料極から移動してきた水素イオンおよび電子と反応し、上記式(2)に示されるように水が生成する。このように、外部回路では燃料極から空気極に向かって電子が移動するため、電力が取り出される。
【0005】
こうした固体高分子型燃料電池において、ガス拡散層は水ぬれによるガス透過性の低下を抑制するために、ポリテトラフルオロエチレン(polytetrafluoroethylene:PTFE)等の撥水性樹脂をガス拡散層表面に被覆する技術が開示されている(特許文献1参照)。
【0006】
【特許文献1】
特開2001−15123号公報
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、燃料電池を長期に運転するとガス拡散層の撥水性が時間の経過とともに低下し、燃料電池の性能低下を引き起こしていることに本発明者は認識するに至った。
【0008】
こうした事情に鑑み、本発明は、燃料電池の性能低下を抑制する技術を提供することにある。また別の目的は、燃料電池用電極のガス拡散層の撥水性の低下を抑制する技術を提供することにある。
【0009】
【課題を解決するための手段】
本発明のある態様は、燃料電池用基体に関する。この燃料電池用基体は導電性の多孔質基材を含み、その多孔質基材の表面が架橋性高分子によって被覆されている。燃料電池用基体は、燃料電池用電極においてガス拡散層として機能する。また、導電性の多孔質基材は数μm〜数十μm径の気孔を多数有しており、その例としてカーボンペーパがある。ここで、「架橋性高分子」とは、架橋構造をもつ高分子を指し、「架橋構造」とは、鎖状分子の任意の2点が直接または1個以上の原子で橋を架けられたような構造をいう。多孔質基材表面が架橋性高分子により被覆されることで、燃料電池の運転時間の経過とともにみられる性能低下が抑制される。また、この燃料電池用基体は多孔質基材を含むことで、良好なガス透過性が得られる。
【0010】
架橋性高分子は、フッ素樹脂を含んでもよい。多孔質基体表面にフッ素樹脂を被覆することで、ガス拡散層は水ぬれによるガス透過性の低下が抑制される。また、例えば燃料電池に架橋構造を有するフッ素樹脂を含むガス拡散電極が用いられた場合、燃料電池の経時的性能劣化が抑制される。また、フッ素樹脂はPTFEであってもよい。PTFEは、良好な撥水性を有する。
【0011】
本発明の別の態様は燃料電池用基体の製造方法に関する。この燃料電池用基体の製造方法は、導電性を有する多孔質基材を、撥水性高分子のディスパージョン液に含浸する工程と、ディスパージョン液に含浸され多孔質基材を乾燥する工程と、乾燥された多孔質基材を熱処理する工程とを有し、熱処理工程中に撥水性高分子を架橋させる。
【0012】
熱処理工程中において加熱により撥水性高分子を溶融状態としてもよい。熱処理温度は、融点以上で、かつ融点を大幅に超えない温度、例えば、(融点+20)℃程度を上限とすることが好ましい。このような熱処理温度とすることで、撥水性高分子は溶融状態となる。具体的には、融点が327℃であるPTFEの場合、327℃以上とすることが好ましい。溶融状態の撥水性高分子に、電離性放射線を照射してもよい。ここで、電離性放射線として、γ線や電子線がある。撥水性高分子は、一般には放射線により分解が促進されるが、このように溶融状態の撥水性高分子に対して電離性放射線が放射されることにより、撥水性高分子には架橋構造が良好に形成される。
【0013】
また、撥水性高分子は、フッ素樹脂であってもよい。フッ素樹脂は、良好な撥水性を示す。更に、フッ素樹脂はPTFEであってもよい。ただし、PTFEに架橋構造を形成するときには、PTFEの酸化反応を防止するために、低酸素雰囲気中または不活性ガス雰囲気中で行われるのが好ましい。
【0014】
本発明の更に別の態様は、燃料電池用電極に関する。この燃料電池用電極は、上記燃料電池用基体と触媒層とを含む。この燃料用電池用電極を用いた燃料電池用電極は、良好なガス透過性を有するとともに撥水性の経時劣化が少ない。
【0015】
【発明の実施の形態】
実施の形態では、ガス拡散層の撥水性が燃料電池の運転時間の経過とともに低下することを抑制する。そのために、ガス拡散層の作製工程においてガス拡散層に用いられるフッ素樹脂を溶融し、溶融状態のフッ素樹脂に電離性放射線の照射して架橋構造を形成する。
【0016】
図1は、本発明の実施の形態にかかる燃料電池10の断面構造を模式的に示す。燃料電池10は平板状のセル50を備え、このセル50の両側にはセパレータ34およびセパレータ36が設けられる。この例では一つのセル50のみを示すが、セパレータ34やセパレータ36を介して複数のセル50を積層して、燃料電池10が構成されてもよい。セル50は、固体高分子電解質膜20、燃料極22および空気極24とを有する。燃料極22および空気極24を「触媒電極」と呼んでもよい。燃料極22は、積層した触媒層26およびガス拡散層28を有し、同様に空気極24も、積層した触媒層30およびガス拡散層32を有する。燃料極22の触媒層26と空気極24の触媒層30は、固体高分子電解質膜20を挟んで対向するように設けられる。
【0017】
燃料極22側に設けられるセパレータ34にはガス流路38が設けられており、このガス流路38を通じてセル50に燃料ガスが供給される。同様に、空気極24側に設けられるセパレータ36にもガス流路40が設けられ、このガス流路40を通じてセル50に酸素が供給される。具体的には、燃料電池10の運転時、ガス流路38から燃料極22に燃料ガス、例えば水素ガスが供給され、ガス流路40から空気極24に酸化剤ガス、例えば空気が供給される。これにより、セル50内で発電反応が生じる。ガス拡散層28を介して触媒層26に水素ガスが供給されると、ガス中の水素がプロトンとなり、このプロトンが固体高分子電解質膜20中を空気極24側へ移動する。このとき放出される電子は外部回路に移動し、外部回路から空気極24に流れ込む。一方、ガス拡散層32を介して触媒層30に空気が供給されると、酸素がプロトンと結合して水となる。この結果、外部回路においては燃料極22から空気極24に向かって電子が流れることとなり、電力を取り出すことができる。
【0018】
固体高分子電解質膜20は、湿潤状態において良好なイオン伝導性を示すことが好ましく、燃料極22および空気極24の間でプロトンを移動させるイオン交換膜として機能する。固体高分子電解質膜20は、含フッ素重合体等の固体高分子材料によって形成され、例えば、スルホン酸型パーフルオロカーボン重合体、ポリサルホン樹脂、ホスホン酸基又はカルボン酸基を有するパーフルオロカーボン重合体等を用いることができる。スルホン酸型パーフルオロカーボン重合体の例として、ナフィオン(デュポン社製:登録商標)112などがあげられる。また、非フッ素重合体の例として、芳香族ポリエーテルエーテルケトン、ポリスルホンなどがあげられる。
【0019】
燃料極22におけるガス拡散層28および空気極24におけるガス拡散層32は、供給される水素ガス又は空気を触媒層26および触媒層30に供給する機能をもつ。また発電反応により生じる電荷を外部回路に移動させる機能や、水や未反応ガスなどを外部に放出する機能ももつ。ガス拡散層28およびガス拡散層32は、電子伝導性を有する多孔体で構成されることが好ましく、例えばカーボンペーパやカーボンクロスなどで構成される。ここでは、多孔体を含フッ素重合体で被覆し撥水性を持たせる。含フッ素重合体等の固体高分子材料の好ましい例として、PTFEや、四フッ化エチレン・パ−フロロアルキルビニルエーテル共重合樹脂(PFA)、四フッ化エチレン・六フッ化プロピレン共重合樹脂(FEP)、四フッ化エチレン・エチレン共重合樹脂(ETFE)等がある。
【0020】
燃料極22における触媒層26および空気極24における触媒層30は、多孔膜であり、イオン交換樹脂と、触媒を担持した炭素粒子とから構成されるのが好ましい。担持される触媒には、例えば白金、ロジウム、ルテニウムなどの1種または2種以上を混合したものなどがある。また触媒を担持する炭素粒子には、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、カーボンナノチューブなどがある。
【0021】
イオン交換樹脂は、触媒を担持した炭素粒子と固体高分子電解質膜20を電気化学的に接続させる機能をもつ。燃料極22においてはプロトン透過性を要求され、また空気極24においては酸素透過性を要求される。イオン交換樹脂は、固体高分子電解質膜20と同様の高分子材料から形成されてよい。
【0022】
以下、図2にセル50の作製方法の一例を示す。ここでは撥水性樹脂としてPTFEを使用する。燃料極22および空気極24を作製するべく、まずPTFEの微粒子がイソピルアルコール等のアルコール溶媒に分散したPTFE分散液にカーボンペーパを浸漬し(S10)、つづいて、そのカーボンペーパを100℃程度で約1時間ほど加熱乾燥し、溶媒を除去する(S12)。更に、溶媒が除去されたカーボンペーパをPTFEの融点以上、例えば330℃に昇温し、カーボンペーパに含まれるPTFEを溶融する(S14)。つぎに、電子線に代表される電離性放射線を強度100kGyでPTFEが溶融しているカーボンペーパに対して照射する(S16)。これにより、PTFEは架橋化し、架橋化されたPTFEが被覆されたカーボンペーパが作製される。
【0023】
つぎに、触媒を担持した炭素粒子と固体高分子電解質の溶液(ナフィオン溶液)とを混合させ触媒インクを生成する(S18)。炭素粒子に触媒を担持させる手法として、一般的な含浸法やコロイド法が用いられる。つづいて、生成した触媒インクを架橋化されたPTFEが被覆されたカーボンペーパに、例えば刷毛塗りやスプレー塗布の技術を用いて塗布させる(S20)。その後、触媒インクが塗布されたカーボンペーパを加熱乾燥させる(S22)。このようにして、燃料極22および空気極24が作製される。
【0024】
その後、固体高分子電解質膜20を、燃料極22の触媒層26と空気極24の触媒層30とで挟み、ホットプレスして接合する(S24)。これにより、セル50が作製される。固体高分子電解質膜20や、触媒層26および触媒層30におけるイオン交換樹脂を軟化点やガラス転移のある高分子材料で構成する場合、軟化温度やガラス転移温度を超える温度でホットプレスを行うことが好ましい。
【0025】
図3は、セル50の断面構造を模式的に示す。燃料極22において、触媒層26が、カーボンペーパなどで構成されるガス拡散層28の表面よりも内側に入り込んでいる様子が示される。空気極24においても、触媒層30がガス拡散層32の内側に入り込んでいる。
【0026】
溶融状態で電離性放射線を照射することで架橋化されたPTFEのシート(処理済みシート)を作製した。電離性放射線が照射されないPTFEのシート(未処理シート)と比較し、光透過性が大幅に向上し、例えば波長600nmの光の透過率は約10倍に向上した。また、耐放射線性は100倍程度に向上した。更に外観状の特徴として、未処理シートは不透明であったが、処理済みシートは透明になった。
【0027】
また、上記手法と同様の手法を用いて、架橋化されたPTFEが被覆されたカーボンペーパを含む電極シートを作製したところ、撥水性に経時劣化の少ない電極シートが得られた。また、上記手法にて作製された電極を用いた燃料電池では、性能の経時劣化が改善された。
【0028】
以上、本発明を実施の形態をもとに説明した。この実施の形態は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組合せにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。
【0029】
以上、実施の形態によれば、燃料電池の電極のガス拡散層の表面に被膜されるPTFEが架橋化されることで撥水性の経時劣化が改善される。また、そのような電極を燃料電池に用いることで、燃料電池の経時的な性能低下が抑制される。
【0030】
【発明の効果】
本発明によると、燃料電池の性能低下を抑制することができる。また別の観点では、ガス拡散層の撥水性の低下を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施の形態にかかる燃料電池の断面構造を模式的に示した図である。
【図2】セルの作製手順を示すフローチャートである。
【図3】セルの断面構造を模式的に示した図である。
【符号の説明】
10 燃料電池、 20 固体高分子電解質膜、 22 燃料極、 24 空気極、 26 触媒層、 28 ガス拡散層、 30 触媒層、 32 ガス拡散層、 34 セパレータ、 36 セパレータ、 36 空気極、 38 ガス流路、 40 ガス流路、 50 セル。
[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a fuel cell base and a fuel cell using the same as an electrode.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art In recent years, fuel cells that have high energy conversion efficiency and do not generate harmful substances due to power generation reactions have attracted attention. As one of such fuel cells, a polymer electrolyte fuel cell that operates at a low temperature of 100 ° C. or less is known.
[0003]
A polymer electrolyte fuel cell has a basic structure in which a solid polymer membrane, which is an electrolyte membrane, is disposed between a fuel electrode and an air electrode. Hydrogen is supplied to the fuel electrode and oxygen is supplied to the air electrode. Electric power is generated by a chemical reaction.
Fuel electrode: H 2 → 2H + + 2e - (1)
Air electrode: 1 / 2O 2 + 2H + + 2e → H 2 O (2)
The fuel electrode and the air electrode have a structure in which a catalyst layer and a gas diffusion layer are stacked. The catalyst layers of the respective electrodes are opposed to each other with the solid polymer film interposed therebetween, and constitute a fuel cell. The catalyst layer is a layer formed by binding carbon particles carrying a catalyst with an ion exchange resin or the like. The gas diffusion layer serves as a passage for oxygen and hydrogen. The power generation reaction proceeds at a so-called three-phase interface between the catalyst, the ion exchange resin, and hydrogen in the catalyst layer.
[0004]
At the fuel electrode, hydrogen contained in the supplied fuel is decomposed into hydrogen ions and electrons as shown in the above formula (1). Among them, hydrogen ions move inside the solid polymer electrolyte membrane toward the air electrode, and electrons move to the air electrode through an external circuit. On the other hand, in the air electrode, oxygen contained in the supplied oxidizing agent reacts with hydrogen ions and electrons moved from the fuel electrode, and water is generated as shown in the above equation (2). As described above, in the external circuit, the electrons move from the fuel electrode toward the air electrode, so that electric power is extracted.
[0005]
In such a polymer electrolyte fuel cell, the gas diffusion layer covers the gas diffusion layer surface with a water-repellent resin such as polytetrafluoroethylene (PTFE) in order to suppress a decrease in gas permeability due to water wetting. (See Patent Document 1).
[0006]
[Patent Document 1]
JP 2001-15123 A
[Problems to be solved by the invention]
However, the inventor has come to recognize that when the fuel cell is operated for a long time, the water repellency of the gas diffusion layer decreases with the passage of time, which causes a decrease in the performance of the fuel cell.
[0008]
In view of such circumstances, an object of the present invention is to provide a technique for suppressing a decrease in the performance of a fuel cell. Still another object is to provide a technique for suppressing a decrease in water repellency of a gas diffusion layer of a fuel cell electrode.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
One embodiment of the present invention relates to a fuel cell substrate. The fuel cell substrate includes a conductive porous substrate, and the surface of the porous substrate is coated with a crosslinkable polymer. The fuel cell base functions as a gas diffusion layer in the fuel cell electrode. Further, the conductive porous substrate has many pores having a diameter of several μm to several tens μm, and an example thereof is carbon paper. Here, the “cross-linkable polymer” refers to a polymer having a cross-linking structure, and the “cross-linking structure” means that any two points of a chain molecule are directly or bridged by one or more atoms. It refers to such a structure. By coating the surface of the porous base material with the crosslinkable polymer, the performance deterioration that is observed with the elapse of the operation time of the fuel cell is suppressed. In addition, since the fuel cell base includes the porous base, good gas permeability can be obtained.
[0010]
The crosslinkable polymer may include a fluororesin. By coating the surface of the porous substrate with a fluororesin, the gas diffusion layer is suppressed from decreasing in gas permeability due to wetting with water. Further, for example, when a gas diffusion electrode containing a fluororesin having a cross-linking structure is used in a fuel cell, deterioration of performance over time of the fuel cell is suppressed. Further, the fluororesin may be PTFE. PTFE has good water repellency.
[0011]
Another embodiment of the present invention relates to a method for manufacturing a fuel cell substrate. This method for producing a fuel cell substrate includes a step of impregnating a porous substrate having conductivity with a dispersion liquid of a water-repellent polymer, and a step of drying the porous substrate impregnated with the dispersion liquid. Heat treating the dried porous substrate, and crosslinking the water-repellent polymer during the heat treatment.
[0012]
The water-repellent polymer may be brought into a molten state by heating during the heat treatment step. The upper limit of the heat treatment temperature is preferably not lower than the melting point and not exceeding the melting point, for example, about (melting point + 20) ° C. With such a heat treatment temperature, the water-repellent polymer is in a molten state. Specifically, in the case of PTFE having a melting point of 327 ° C., the temperature is preferably set to 327 ° C. or higher. The molten water repellent polymer may be irradiated with ionizing radiation. Here, ionizing radiation includes γ-rays and electron beams. Decomposition of a water-repellent polymer is generally promoted by radiation, but the ionizing radiation is emitted to the water-repellent polymer in a molten state, so that the water-repellent polymer has a good cross-linked structure. Formed.
[0013]
Further, the water-repellent polymer may be a fluororesin. Fluororesins exhibit good water repellency. Further, the fluororesin may be PTFE. However, when a crosslinked structure is formed in PTFE, it is preferably performed in a low oxygen atmosphere or an inert gas atmosphere in order to prevent an oxidation reaction of PTFE.
[0014]
Still another embodiment of the present invention relates to an electrode for a fuel cell. The fuel cell electrode includes the fuel cell base and a catalyst layer. An electrode for a fuel cell using this electrode for a fuel cell has good gas permeability and little deterioration of water repellency with time.
[0015]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
In the embodiment, it is possible to prevent the water repellency of the gas diffusion layer from decreasing with the elapse of the operation time of the fuel cell. For this purpose, a fluororesin used for the gas diffusion layer is melted in the step of forming the gas diffusion layer, and the molten fluororesin is irradiated with ionizing radiation to form a crosslinked structure.
[0016]
FIG. 1 schematically shows a cross-sectional structure of a fuel cell 10 according to an embodiment of the present invention. The fuel cell 10 includes a flat cell 50, and a separator 34 and a separator 36 are provided on both sides of the cell 50. In this example, only one cell 50 is shown, but the fuel cell 10 may be configured by stacking a plurality of cells 50 via the separator 34 or the separator 36. The cell 50 has the solid polymer electrolyte membrane 20, the fuel electrode 22, and the air electrode 24. The fuel electrode 22 and the air electrode 24 may be referred to as “catalyst electrodes”. The fuel electrode 22 has a stacked catalyst layer 26 and a gas diffusion layer 28, and the air electrode 24 similarly has a stacked catalyst layer 30 and a gas diffusion layer 32. The catalyst layer 26 of the fuel electrode 22 and the catalyst layer 30 of the air electrode 24 are provided so as to face each other with the solid polymer electrolyte membrane 20 interposed therebetween.
[0017]
The separator 34 provided on the fuel electrode 22 side is provided with a gas flow path 38, and fuel gas is supplied to the cell 50 through the gas flow path 38. Similarly, a gas passage 40 is also provided in the separator 36 provided on the air electrode 24 side, and oxygen is supplied to the cell 50 through the gas passage 40. Specifically, during operation of the fuel cell 10, a fuel gas, for example, hydrogen gas is supplied from the gas flow channel 38 to the fuel electrode 22, and an oxidant gas, for example, air is supplied from the gas flow channel 40 to the air electrode 24. . Thereby, a power generation reaction occurs in the cell 50. When hydrogen gas is supplied to the catalyst layer 26 via the gas diffusion layer 28, hydrogen in the gas becomes protons, and the protons move through the solid polymer electrolyte membrane 20 toward the air electrode 24. The electrons emitted at this time move to the external circuit and flow into the air electrode 24 from the external circuit. On the other hand, when air is supplied to the catalyst layer 30 via the gas diffusion layer 32, oxygen is combined with protons to form water. As a result, in the external circuit, electrons flow from the fuel electrode 22 to the air electrode 24, and power can be taken out.
[0018]
The solid polymer electrolyte membrane 20 preferably exhibits good ion conductivity in a wet state, and functions as an ion exchange membrane that moves protons between the fuel electrode 22 and the air electrode 24. The solid polymer electrolyte membrane 20 is formed of a solid polymer material such as a fluoropolymer, for example, a sulfonic acid type perfluorocarbon polymer, a polysulfone resin, a perfluorocarbon polymer having a phosphonic acid group or a carboxylic acid group, or the like. Can be used. Examples of the sulfonic acid-type perfluorocarbon polymer include Nafion (registered trademark) 112 and the like. Examples of the non-fluorinated polymer include aromatic polyetheretherketone and polysulfone.
[0019]
The gas diffusion layer 28 in the fuel electrode 22 and the gas diffusion layer 32 in the air electrode 24 have a function of supplying the supplied hydrogen gas or air to the catalyst layers 26 and 30. It also has a function of transferring electric charges generated by the power generation reaction to an external circuit and a function of discharging water, unreacted gas, and the like to the outside. The gas diffusion layer 28 and the gas diffusion layer 32 are preferably made of a porous material having electron conductivity, and are made of, for example, carbon paper or carbon cloth. Here, the porous body is coated with a fluoropolymer to have water repellency. Preferred examples of the solid polymer material such as a fluorine-containing polymer include PTFE, ethylene tetrafluoride / perfluoroalkyl vinyl ether copolymer resin (PFA), and ethylene tetrafluoride / propylene hexafluoride copolymer resin (FEP). And ethylene tetrafluoride / ethylene copolymer resin (ETFE).
[0020]
The catalyst layer 26 in the fuel electrode 22 and the catalyst layer 30 in the air electrode 24 are porous membranes, and are preferably composed of an ion exchange resin and carbon particles supporting a catalyst. Examples of the supported catalyst include one or a mixture of two or more of platinum, rhodium, ruthenium, and the like. The carbon particles supporting the catalyst include acetylene black, Ketjen black, and carbon nanotubes.
[0021]
The ion exchange resin has a function of electrochemically connecting the carbon particles supporting the catalyst and the solid polymer electrolyte membrane 20. The fuel electrode 22 is required to have proton permeability, and the air electrode 24 is required to have oxygen permeability. The ion exchange resin may be formed from the same polymer material as the solid polymer electrolyte membrane 20.
[0022]
Hereinafter, an example of a method for manufacturing the cell 50 is shown in FIG. Here, PTFE is used as the water-repellent resin. In order to produce the fuel electrode 22 and the air electrode 24, first, carbon paper is immersed in a PTFE dispersion in which PTFE fine particles are dispersed in an alcohol solvent such as isopropyl alcohol (S10). And heat drying for about 1 hour to remove the solvent (S12). Further, the carbon paper from which the solvent has been removed is heated to a temperature equal to or higher than the melting point of PTFE, for example, to 330 ° C., and the PTFE contained in the carbon paper is melted (S14). Next, an ionizing radiation typified by an electron beam is irradiated at an intensity of 100 kGy to the carbon paper in which the PTFE is melted (S16). As a result, the PTFE is crosslinked, and carbon paper coated with the crosslinked PTFE is produced.
[0023]
Next, the catalyst particles are mixed with the solid polymer electrolyte solution (Nafion solution) to produce a catalyst ink (S18). As a method for supporting the catalyst on the carbon particles, a general impregnation method or a colloid method is used. Subsequently, the generated catalyst ink is applied to the carbon paper coated with the crosslinked PTFE by using, for example, a brush coating or a spray coating technique (S20). Thereafter, the carbon paper coated with the catalyst ink is dried by heating (S22). Thus, the fuel electrode 22 and the air electrode 24 are manufactured.
[0024]
Thereafter, the solid polymer electrolyte membrane 20 is sandwiched between the catalyst layer 26 of the fuel electrode 22 and the catalyst layer 30 of the air electrode 24, and joined by hot pressing (S24). Thereby, the cell 50 is manufactured. When the ion exchange resin in the solid polymer electrolyte membrane 20, the catalyst layer 26, and the catalyst layer 30 is made of a polymer material having a softening point or a glass transition, hot pressing should be performed at a temperature exceeding the softening temperature or the glass transition temperature. Is preferred.
[0025]
FIG. 3 schematically shows a cross-sectional structure of the cell 50. In the fuel electrode 22, it is shown that the catalyst layer 26 has entered inside the surface of the gas diffusion layer 28 made of carbon paper or the like. Also in the air electrode 24, the catalyst layer 30 enters inside the gas diffusion layer 32.
[0026]
Irradiating ionizing radiation in a molten state produced a crosslinked PTFE sheet (treated sheet). Compared to a sheet of PTFE not irradiated with ionizing radiation (untreated sheet), the light transmittance was greatly improved, for example, the transmittance of light having a wavelength of 600 nm was improved about 10 times. Further, the radiation resistance was improved about 100 times. As a further appearance feature, the untreated sheet was opaque while the treated sheet became transparent.
[0027]
In addition, when an electrode sheet containing carbon paper coated with crosslinked PTFE was produced using the same method as the above method, an electrode sheet with water repellency and little deterioration over time was obtained. Further, in the fuel cell using the electrode manufactured by the above method, the deterioration with time of the performance was improved.
[0028]
The present invention has been described based on the embodiments. This embodiment is an exemplification, and it is understood by those skilled in the art that various modifications can be made to the combination of each component and each processing process, and that such modifications are also within the scope of the present invention. is there.
[0029]
As described above, according to the embodiment, the PTFE coated on the surface of the gas diffusion layer of the electrode of the fuel cell is crosslinked, whereby the deterioration over time of the water repellency is improved. Further, by using such an electrode in a fuel cell, the performance of the fuel cell over time is prevented from deteriorating.
[0030]
【The invention's effect】
According to the present invention, it is possible to suppress a decrease in the performance of the fuel cell. From another viewpoint, a decrease in water repellency of the gas diffusion layer can be suppressed.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram schematically showing a cross-sectional structure of a fuel cell according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a flowchart showing a procedure for manufacturing a cell.
FIG. 3 is a diagram schematically showing a cross-sectional structure of a cell.
[Explanation of symbols]
Reference Signs List 10 fuel cell, 20 solid polymer electrolyte membrane, 22 fuel electrode, 24 air electrode, 26 catalyst layer, 28 gas diffusion layer, 30 catalyst layer, 32 gas diffusion layer, 34 separator, 36 separator, 36 air electrode, 38 gas flow Roads, 40 gas channels, 50 cells.

Claims (10)

導電性の多孔質基材を含む燃料電池用基体であって、前記多孔質基材の表面が架橋性高分子により被覆されていることを特徴とする燃料電池用基体。A fuel cell substrate including a conductive porous substrate, wherein the surface of the porous substrate is coated with a crosslinkable polymer. 前記架橋性高分子はフッ素樹脂を含むことを特徴とする請求項1に記載の燃料電池用基体。The fuel cell substrate according to claim 1, wherein the crosslinkable polymer contains a fluororesin. 前記フッ素樹脂がポリテトラフルオロエチレンであることを特徴とする請求項2に記載の燃料電池用基体。The fuel cell substrate according to claim 2, wherein the fluororesin is polytetrafluoroethylene. 請求項1から3のいずれかに記載の燃料電池用基体と触媒層とを含むことを特徴とする燃料電池用電極。An electrode for a fuel cell, comprising the fuel cell substrate according to claim 1 and a catalyst layer. 請求項4に記載の燃料電池用電極を含むことを特徴とする燃料電池。A fuel cell comprising the fuel cell electrode according to claim 4. 導電性を有する多孔質基材を、撥水性高分子のディスパージョン液に含浸する工程と、
前記ディスパージョン液に含浸された前記多孔質基材を乾燥する工程と、
前記乾燥された多孔質基材を熱処理する工程と、
を有し、
前記熱処理工程中に前記撥水性高分子を架橋させることを特徴とする燃料電池用基体の製造方法。
A step of impregnating a conductive porous substrate with a water-repellent polymer dispersion liquid,
Drying the porous substrate impregnated with the dispersion liquid,
Heat treating the dried porous substrate,
Has,
A method for producing a fuel cell substrate, comprising crosslinking the water-repellent polymer during the heat treatment step.
前記熱処理工程中において加熱により前記撥水性高分子を溶融状態とすることを特徴とする請求項6に記載の燃料電池用基体の製造方法。The method for producing a fuel cell substrate according to claim 6, wherein the water-repellent polymer is brought into a molten state by heating during the heat treatment step. 前記溶融状態の撥水性高分子に、電離性放射線を照射することを特徴とする請求項7に記載の燃料電池用基体の製造方法。The method according to claim 7, wherein the molten water-repellent polymer is irradiated with ionizing radiation. 前記撥水性高分子は、フッ素樹脂を含むことを特徴とする請求項6から8のいずれかに記載の燃料電池用基体の製造方法。The method according to any one of claims 6 to 8, wherein the water-repellent polymer contains a fluororesin. 前記フッ素樹脂がポリテトラフルオロエチレンであることを特徴とする請求項9に記載の燃料電池用基体の製造方法。The method according to claim 9, wherein the fluororesin is polytetrafluoroethylene.
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