JP2004247294A - Power generation element for fuel cell, its manufacturing method, and fuel cell using power generation element - Google Patents

Power generation element for fuel cell, its manufacturing method, and fuel cell using power generation element Download PDF

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Yasuo Arishima
康夫 有島
Shoji Nishihara
昭二 西原
Hiroshi Kayano
博志 柏野
Shinsuke Shibata
進介 柴田
Shingo Nakamura
新吾 中村
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a power generation element for a fuel cell which enables compatibility of thickening of an electrode layer, a porous structure of the electrode layer, and structural integrity. <P>SOLUTION: This is the power generation element for the fuel cell which is provided with a positive electrode to reduce oxygen, a negative electrode to oxidize the fuel, and a solid electrolyte installed between the positive electrode and the negative electrode, and at least one of the positive electrode and the negative electrode is provided with a laminate in which two or more of the electrode layers containing a catalyst are laminated, and the thickness of respective electrode layers are respectively 50 μm or less, and an adhesive layer is arranged between respective electrode layers. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO&NCIPI

Description

本発明は、メタノールなどの液体燃料を用いる燃料電池用の発電素子とその製造方法、ならびに前記発電素子を用いた燃料電池に関する。   The present invention relates to a power generation element for a fuel cell using a liquid fuel such as methanol, a method for manufacturing the same, and a fuel cell using the power generation element.

近年、パソコン、携帯電話などのコードレス機器の普及に伴い、その電源である二次電池はますます小型化、高容量化が要望されている。現在、エネルギー密度が高く、小型軽量化が図れる二次電池としてリチウムイオン二次電池が実用化されており、ポータブル電源として需要が増大している。しかし、使用されるコードレス機器の種類によっては、このリチウム二次電池では未だ十分な連続使用時間を保証する程度までには至っていない。   2. Description of the Related Art In recent years, with the spread of cordless devices such as personal computers and mobile phones, there is a demand for smaller and higher capacity secondary batteries as power sources. At present, lithium ion secondary batteries have been put to practical use as secondary batteries having a high energy density and can be reduced in size and weight, and demand for portable power sources is increasing. However, depending on the type of cordless device used, this lithium secondary battery has not yet reached a level where sufficient continuous use time is guaranteed.

このような状況の中で上記要望に応え得る電池として、電解質に固体高分子電解質、正極活物質に空気中の酸素、負極活物質に水素、メタノールなどの燃料を用いる固体高分子型燃料電池が、リチウムイオン二次電池よりも高エネルギー密度が期待できる系として注目されている。中でも、液体燃料であるメタノールを直接電池の反応に利用する直接メタノール型燃料電池は、電池本体に空気を供給するブロアや燃料を供給するポンプを用いなくてもよいため、小型化が可能であり、将来のポータブル電源として有望である(例えば、特許文献1〜5参照。)。
特開2000−268836号公報 特開2002−184415号公報 特開平10−189004号公報 特開平11−288727号公報 特開2002−15743号公報
Under these circumstances, a solid polymer fuel cell that uses a solid polymer electrolyte as the electrolyte, oxygen in the air as the positive electrode active material, hydrogen, and methanol as the negative electrode active material as a battery that can meet the above demands is described. As a system that can be expected to have a higher energy density than a lithium ion secondary battery, it has been drawing attention. Above all, a direct methanol fuel cell that uses methanol, which is a liquid fuel, directly in the reaction of the cell does not require a blower that supplies air to the cell body or a pump that supplies fuel, and can be downsized. It is promising as a future portable power supply (for example, see Patent Documents 1 to 5).
JP 2000-268836 A JP 2002-184415 A JP-A-10-189004 JP-A-11-288727 JP-A-2002-15743

しかし、直接メタノール型燃料電池は、負極でのメタノールの酸化反応速度が非常に遅く、それを補うために負極の触媒量を多くし、反応表面積を増加させなければならない。また、固体高分子電解質として、プロトン伝導性固体高分子膜などを用いた場合、メタノールなどの液体燃料が電解質膜を通して正極側に透過してしまうというクロスオーバー現象が生じる。この現象が生じると、正極の触媒上でメタノールと酸素が直接反応(燃焼)してしまい、本来の電池反応である正極での酸素の還元反応で使用する触媒表面積が減少することになる。   However, in a direct methanol fuel cell, the rate of methanol oxidation reaction at the negative electrode is extremely slow, and to compensate for this, the amount of catalyst at the negative electrode must be increased and the reaction surface area must be increased. When a proton-conductive solid polymer membrane or the like is used as the solid polymer electrolyte, a crossover phenomenon occurs in which liquid fuel such as methanol permeates through the electrolyte membrane to the positive electrode side. When this phenomenon occurs, methanol and oxygen directly react (combust) on the catalyst of the positive electrode, and the surface area of the catalyst used in the reduction reaction of oxygen at the positive electrode, which is the original battery reaction, decreases.

上記クロスオーバーの問題が生じなければ、正極の触媒量を負極より少なくできるが、一般には、正極および負極ともに、必要とされる白金触媒量は、電極の単位面積あたり5〜15mg/cmであり、水素を燃料とする場合(必要とされる触媒量:およそ0.3〜0.5mg/cm)に比べて多くの触媒を必要とする。 If the crossover problem does not occur, the amount of catalyst of the positive electrode can be made smaller than that of the negative electrode. However, in general, the required amount of platinum catalyst for both the positive electrode and the negative electrode is 5 to 15 mg / cm 2 per unit area of the electrode. Yes, more catalyst is required than when hydrogen is used as fuel (required amount of catalyst: about 0.3 to 0.5 mg / cm 2 ).

ここで、電極層の触媒量を増加させるためには、電極層の厚膜化が不可欠である。また、燃料電池の電極層において、この厚膜化と同等以上に重要なことは、燃料および酸素が電極層を通して良好に分布、移動できることである。このためには、電極層が比較的均一な多孔性構造を備え、さらに構造的にクラックなどの欠陥がないこと、すなわち、構造的無欠性が必要となる。   Here, in order to increase the amount of catalyst in the electrode layer, it is essential to increase the thickness of the electrode layer. In the electrode layer of the fuel cell, what is more important than the thickness increase is that fuel and oxygen can be well distributed and move through the electrode layer. For this purpose, it is necessary that the electrode layer has a relatively uniform porous structure and that the electrode layer is structurally free from defects such as cracks, that is, structural integrity.

しかし、触媒量を増加させるために電極層を基板に塗布する方法で厚膜化すると、塗布した電極層の表面の乾燥がその内部の乾燥より速く進行するため、電極層の表面に大きなクラックが生じやすくなり、さらには電極基板から電極層が剥離、脱落する場合もある。これらの現象は、電極層に求められる多孔性構造と構造的無欠性を損なわせるものであり、結果として、電池特性に悪影響を及ぼすこととなる。この問題の解決策の1つとして、特許文献2に記載されているように、多孔性電極基板を用いて乾燥工程を迅速にすることで、クラックの発生を抑制する方法などが提案されているが、直接メタノール型燃料電池に求められる50μmを超える電極層の厚膜化に対応するのは困難である。   However, when the thickness of the electrode layer is increased by applying the electrode layer to the substrate in order to increase the amount of the catalyst, the drying of the surface of the applied electrode layer proceeds faster than the drying of the inside, so that a large crack is formed on the surface of the electrode layer. This may easily occur, and the electrode layer may be peeled off from the electrode substrate or fall off. These phenomena impair the porous structure and structural integrity required of the electrode layer, and as a result, adversely affect battery characteristics. As one of the solutions to this problem, as described in Patent Document 2, a method of suppressing the occurrence of cracks by speeding up the drying process using a porous electrode substrate has been proposed. However, it is difficult to cope with an increase in the thickness of the electrode layer exceeding 50 μm required for a direct methanol fuel cell.

そこで、本発明は、電極層の厚膜化と、電極層の多孔性構造および構造的無欠性とを両立させることができる燃料電池用発電素子を提供するものである。   Accordingly, the present invention provides a power generating element for a fuel cell, which can achieve both a thicker electrode layer and a porous structure and structural integrity of the electrode layer.

本発明は、酸素を還元する正極と、燃料を酸化する負極と、前記正極と前記負極との間に設けられた固体電解質とを備えた燃料電池用発電素子であって、
前記正極および負極の少なくとも一方が、触媒を含む電極層を2層以上積層してなる積層体を有し、
前記電極層の厚さが、50μm以下であり、前記各電極層の間に接着層が配置されていることを特徴とする燃料電池用発電素子を提供する。
The present invention is a fuel cell power generating element including a positive electrode for reducing oxygen, a negative electrode for oxidizing fuel, and a solid electrolyte provided between the positive electrode and the negative electrode,
At least one of the positive electrode and the negative electrode has a laminate in which two or more electrode layers containing a catalyst are laminated,
A power generation element for a fuel cell, wherein the thickness of the electrode layer is 50 μm or less, and an adhesive layer is disposed between the electrode layers.

また、本発明は、酸素を還元する正極と、燃料を酸化する負極と、前記正極と前記負極との間に設けられた固体電解質とを備えた燃料電池用発電素子であって、
前記正極および負極の少なくとも一方が、触媒と、プロトン伝導性を有する高分子材料とを含む電極層を2層以上積層してなる積層体を有し、
前記電極層の厚さが、50μm以下であり、
前記高分子材料が、前記電極層の内部よりも界面部分に多く存在していることを特徴とする燃料電池用発電素子を提供する。
Further, the present invention is a fuel cell power generating element including a positive electrode for reducing oxygen, a negative electrode for oxidizing fuel, and a solid electrolyte provided between the positive electrode and the negative electrode,
At least one of the positive electrode and the negative electrode has a laminate formed by laminating two or more electrode layers containing a catalyst and a polymer material having proton conductivity,
The electrode layer has a thickness of 50 μm or less;
There is provided a fuel cell power generating element, wherein the polymer material is present more in the interface than in the electrode layer.

さらに、本発明は、酸素を還元する正極と、燃料を酸化する負極と、前記正極と前記負極との間に設けられた固体電解質とを備えた燃料電池用発電素子であって、
前記正極および負極の少なくとも一方が、総厚さが60〜300μmであり、かつ、単位面積当たりに含まれる触媒の質量が0.3〜3mg/cmである電極よりなることを特徴とする燃料電池用発電素子を提供する。
Furthermore, the present invention is a fuel cell power generating element including a positive electrode for reducing oxygen, a negative electrode for oxidizing fuel, and a solid electrolyte provided between the positive electrode and the negative electrode,
At least one of the positive electrode and the negative electrode is an electrode having a total thickness of 60 to 300 μm and a mass of a catalyst contained per unit area of 0.3 to 3 mg / cm 2. Provided is a power generation element for a battery.

また、本発明は、前記燃料電池用発電素子の製造方法であって、
離型性基板の上に接着層を配置する第1の工程と、
前記接着層の上に、触媒を含み、かつ厚さが50μm以下である電極層を配置する第2の工程と、
前記電極層と固体電解質とを接触させる第3の工程と、
前記電極層と前記固体電解質とを加熱しながら加圧して接着させる第4の工程と、
前記電極層と前記固体電解質とを接着させた後に前記離型性基板を剥離して前記接着層を表出させる第5の工程と、
前記表出した接着層の上に、触媒を含み、かつ厚さが50μm以下である他の電極層を配置する第6の工程と、
前記接着層と前記他の電極層とを加熱しながら加圧して接着させる第7の工程とを含むことを特徴とする燃料電池用発電素子の製造方法を提供する。
Further, the present invention is a method for producing the fuel cell power generating element,
A first step of disposing an adhesive layer on the release substrate;
A second step of disposing an electrode layer containing a catalyst and having a thickness of 50 μm or less on the adhesive layer;
A third step of bringing the electrode layer into contact with a solid electrolyte;
A fourth step of bonding the electrode layer and the solid electrolyte by applying pressure while heating;
A fifth step of peeling the releasable substrate after bonding the electrode layer and the solid electrolyte to expose the adhesive layer,
A sixth step of disposing another electrode layer containing a catalyst and having a thickness of 50 μm or less on the exposed adhesive layer;
And a seventh step of applying pressure while heating the adhesive layer and the other electrode layer to bond the adhesive layer to the other electrode layer.

また、本発明は、前記燃料電池用発電素子の上記とは別の製造方法であって、
離型性基板の上に、触媒を含み、かつ厚さが50μm以下である電極層を配置する第1の工程と、
前記電極層と固体電解質とを接触させる第2の工程と、
前記電極層と前記固体電解質とを加熱しながら加圧して接着させる第3の工程と、
前記電極層と前記固体電解質とを接着させた後に前記離型性基板を剥離して前記電極層を表出させる第4の工程と、
前記表出した電極層の上に接着層を配置する第5の工程と、
前記接着層の上に、触媒を含み、かつ厚さが50μm以下である他の電極層を配置する第6の工程と、
前記接着層と前記他の電極層とを加熱しながら加圧して接着させる第7の工程とを含むことを特徴とする燃料電池用発電素子の製造方法を提供する。
Further, the present invention is another method for manufacturing the fuel cell power generating element,
A first step of disposing an electrode layer containing a catalyst and having a thickness of 50 μm or less on a release substrate;
A second step of bringing the electrode layer into contact with a solid electrolyte;
A third step of bonding the electrode layer and the solid electrolyte by applying pressure while heating;
A fourth step of peeling off the release substrate after bonding the electrode layer and the solid electrolyte to expose the electrode layer,
A fifth step of disposing an adhesive layer on the exposed electrode layer;
A sixth step of disposing another electrode layer containing a catalyst and having a thickness of 50 μm or less on the adhesive layer;
And a seventh step of applying pressure while heating the adhesive layer and the other electrode layer to bond the adhesive layer to the other electrode layer.

さらに、本発明は、前記燃料電池用発電素子を用いた燃料電池を提供する。   Furthermore, the present invention provides a fuel cell using the fuel cell power generating element.

本発明は、燃料電池用発電素子の電極の厚膜化と、電極の多孔性構造および構造的無欠性とを両立させることによって、電極内の触媒を効率的に作用させ、発電効率の高い発電素子を実現したものである。   The present invention achieves high power generation efficiency by making the catalyst in the electrode act efficiently by making the thickness of the electrode of the fuel cell power generation element compatible with the porous structure and structural integrity of the electrode. This is an implementation of the element.

以下、本発明の実施の形態を説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described.

先ず、本発明の燃料電池用発電素子の一形態について説明する。本実施形態の燃料電池用発電素子は、酸素を還元する正極と、燃料を酸化する負極と、その正極と負極との間に設けられた固体電解質とを備えている。また、前記正極および負極の少なくとも一方は、触媒を含む電極層を2層以上積層してなる積層体を有し、その各電極層の厚さはそれぞれ50μm以下、より好ましくは45μm以下、さらに好ましくは40μm以下であり、その各電極層の間には接着層が配置されている。各電極層の厚さの下限値は、積層する電極層の数をあまり増加させないようにするために、10μm以上が好ましく、30μm以上がより好ましい。   First, an embodiment of the fuel cell power generating element of the present invention will be described. The power generating element for a fuel cell according to the present embodiment includes a positive electrode for reducing oxygen, a negative electrode for oxidizing fuel, and a solid electrolyte provided between the positive electrode and the negative electrode. Further, at least one of the positive electrode and the negative electrode has a laminate in which two or more electrode layers containing a catalyst are laminated, and the thickness of each electrode layer is 50 μm or less, more preferably 45 μm or less, and further more preferably. Is 40 μm or less, and an adhesive layer is disposed between the respective electrode layers. The lower limit of the thickness of each electrode layer is preferably 10 μm or more, more preferably 30 μm or more, so as not to increase the number of electrode layers to be laminated so much.

また、メタノールの酸化反応速度を向上させるために、少なくとも負極が上記積層体を有していることが望ましく、前述したクロスオーバー現象の観点からは、負極のみならず正極も上記と同様の積層体を有していることが望ましい。さらに、その電極層と接着層とは、ともにプロトン伝導性と電子伝導性を有している。   In addition, in order to improve the oxidation reaction rate of methanol, it is preferable that at least the negative electrode has the above-described laminate, and from the viewpoint of the crossover phenomenon described above, not only the negative electrode but also the positive electrode has the same laminate as above. It is desirable to have. Further, both the electrode layer and the adhesive layer have proton conductivity and electron conductivity.

これにより、各電極層の厚さを多孔性構造と構造的無欠性を維持し得る範囲に保持しつつ積層できるため、電極全体の総厚さを厚くして触媒量を増加させても、電極全体の多孔性構造と構造的無欠性が失われない。また、多孔性構造と構造的無欠性を維持するための各電極層の厚さは、電極層に含まれる材料などによっても異なるが、50μm以下の厚さ範囲であれば確実に多孔性構造と構造的無欠性を維持できる。さらに、各電極層の間に配置された接着層は、電極層相互間をプロトン伝導性と電子伝導性を保持しながら接合させるものであり、この接着層により積層体の形成が容易となる。   Thereby, since it is possible to laminate while maintaining the thickness of each electrode layer in a range that can maintain the porous structure and the structural integrity, even if the total thickness of the entire electrode is increased and the amount of catalyst is increased, The overall porous structure and structural integrity is not lost. In addition, the thickness of each electrode layer for maintaining the porous structure and structural integrity varies depending on the material included in the electrode layer, etc. Structural integrity can be maintained. Further, the adhesive layer disposed between the electrode layers joins the electrode layers while maintaining proton conductivity and electron conductivity, and the adhesive layer facilitates formation of a laminate.

なお、層構造を有する電極に関しては、前記特許文献3、特許文献4、特許文献5などに記載があるが、いずれも電極の厚膜化を企図したものではなく、またその手法も塗布を繰り返すことによる層構造の形成であり、電極の厚膜化には限界がある。   The electrodes having a layered structure are described in Patent Document 3, Patent Document 4, Patent Document 5, etc., but none of them intends to increase the thickness of the electrodes, and the method is also repeated. This is the formation of a layer structure, and there is a limit in increasing the thickness of the electrode.

次に、本発明の燃料電池用発電素子の製造方法に関する一形態について説明する。本実施形態は、離型性基板の上に接着層を配置する第1の工程と、その接着層の上に、触媒を含み、かつ厚さが50μm以下である電極層を配置する第2の工程と、その電極層と固体電解質とを接触させる第3の工程と、その電極層と固体電解質とを加熱しながら加圧して接着させる第4の工程と、その電極層と固体電解質とを接着させた後に上記離型性基板を剥離して接着層を表出させる第5の工程と、その表出した接着層の上に、触媒を含み、かつ厚さが50μm以下である他の電極層を配置する第6の工程と、その接着層と他の電極層とを加熱しながら加圧して接着させる第7の工程とを含むものである。   Next, an embodiment of a method for manufacturing a power generating element for a fuel cell according to the present invention will be described. This embodiment includes a first step of disposing an adhesive layer on a release substrate and a second step of disposing an electrode layer containing a catalyst and having a thickness of 50 μm or less on the adhesive layer. A third step of bringing the electrode layer into contact with the solid electrolyte; a fourth step of applying pressure while heating the electrode layer and the solid electrolyte; and adhering the electrode layer and the solid electrolyte. A fifth step of exfoliating the above-mentioned releasable substrate to expose an adhesive layer, and further forming another electrode layer containing a catalyst and having a thickness of 50 μm or less on the exposed adhesive layer. And a seventh step of bonding the adhesive layer and the other electrode layer by applying pressure while heating.

また、本実施形態は、上記第5の工程と上記第6の工程との間に、表出した接着層の上に、上記第1の工程と上記第2の工程とで別途形成した第2の電極層をさらに配置し、その接着層と第2の電極層とを加熱しながら加圧して接着させた後、その離型性基板を剥離して接着層を表出させる工程を1工程以上さらに含むことにより、3層以上の積層体の形成も可能となる。   Further, in the present embodiment, the second step separately formed in the first step and the second step on the exposed adhesive layer between the fifth step and the sixth step. Is further arranged such that the adhesive layer and the second electrode layer are adhered by applying pressure while heating, and then the adhesive layer is exposed by peeling off the release substrate. In addition, a laminate of three or more layers can be formed.

また、本発明の燃料電池用発電素子の製造方法に関する他の一形態は、離型性基板の上に、触媒を含み、かつ厚さが50μm以下である電極層を配置する第1の工程と、その電極層と固体電解質とを接触させる第2の工程と、その電極層と固体電解質とを加熱しながら加圧して接着させる第3の工程と、その電極層と固体電解質とを接着させた後に上記離型性基板を剥離して電極層を表出させる第4の工程と、その表出した電極層の上に接着層を配置する第5の工程と、その接着層の上に、触媒を含みかつ厚さが50μm以下である他の電極層を配置する第6の工程と、その接着層と他の電極層とを加熱しながら加圧して接着させる第7の工程とを含むものである。   Another embodiment of the method for producing a fuel cell power generating element of the present invention includes a first step of disposing an electrode layer containing a catalyst and having a thickness of 50 μm or less on a release substrate. A second step of bringing the electrode layer into contact with the solid electrolyte, a third step of applying pressure while heating the electrode layer and the solid electrolyte, and adhering the electrode layer and the solid electrolyte. A fourth step of exfoliating the release substrate to expose the electrode layer, a fifth step of disposing an adhesive layer on the exposed electrode layer, and a catalyst on the adhesive layer. And a seventh step of arranging another electrode layer having a thickness of 50 μm or less and a step of applying pressure while heating the adhesive layer and the other electrode layer.

また、本実施形態は、上記第5の工程と上記第6の工程との間に、接着層の上に、上記第1の工程で別途形成した第2の電極層を配置し、その接着層と第2の電極層とを加熱しながら加圧して接着した後、その離型性基板を剥離して第2の電極層を表出させ、その表出した第2の電極層の上に接着層をさらに配置する工程を1工程以上さらに含むことにより、3層以上の積層体の形成も可能となる。   Further, in the present embodiment, a second electrode layer separately formed in the first step is disposed on the adhesive layer between the fifth step and the sixth step, and the adhesive layer And the second electrode layer are heated and pressurized and bonded, and then the release substrate is peeled off to expose the second electrode layer, and the second electrode layer is bonded on the exposed second electrode layer. By further including one or more steps of further arranging layers, a laminate of three or more layers can be formed.

以上の製造方法により、各電極層の厚さを多孔性構造と構造的無欠性を維持し得る範囲に保持しつつ積層できるため、電極全体の総厚さを厚くして触媒量を増加させても、電極全体の多孔性構造と構造的無欠性を失わずに燃料電池用発電素子を製造できる。即ち、本製造方法では、多孔性構造と構造的無欠性を有する電極層を固体電解質に順次転写するという簡便な方法により、電極積層体を形成できる。   According to the above manufacturing method, since it is possible to stack while maintaining the thickness of each electrode layer in a range that can maintain the porous structure and structural integrity, the total thickness of the entire electrode is increased to increase the amount of catalyst. In addition, a fuel cell power generation element can be manufactured without losing the porous structure and structural integrity of the entire electrode. That is, in the present production method, an electrode laminate can be formed by a simple method of sequentially transferring an electrode layer having a porous structure and structural integrity to a solid electrolyte.

次に、本発明の燃料電池用発電素子について図面に基づき説明する。図1は、本発明の燃料電池用発電素子の一例を示す模式断面図である。図1において、この燃料電池用発電素子は、酸素を還元する正極1と、燃料を酸化する負極3と、正極1と負極3との間に設けられた固体高分子電解質膜2とを備えている。正極1は、正極電極層1aと、接着層4と、正極電極層1bとをこの順番に積層して形成されている。また、負極3は、正極1と同様に、負極電極層3aと、接着層4と、負極電極層3bとをこの順番に積層して形成されている。   Next, the fuel cell power generating element of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a schematic sectional view showing an example of the fuel cell power generating element of the present invention. In FIG. 1, this fuel cell power generating element includes a positive electrode 1 for reducing oxygen, a negative electrode 3 for oxidizing fuel, and a solid polymer electrolyte membrane 2 provided between the positive electrode 1 and the negative electrode 3. I have. The positive electrode 1 is formed by laminating a positive electrode layer 1a, an adhesive layer 4, and a positive electrode layer 1b in this order. Further, similarly to the positive electrode 1, the negative electrode 3 is formed by laminating the negative electrode layer 3a, the adhesive layer 4, and the negative electrode layer 3b in this order.

また、図2は、本発明の燃料電池用発電素子の他の一例を示す模式断面図である。図2において、この燃料電池用発電素子は、酸素を還元する正極1と、燃料を酸化する負極3と、正極1と負極3との間に設けられた固体高分子電解質膜2とを備えている。正極1は、正極電極層1aと、接着層4と、正極電極層1bと、接着層4と、正極電極層1cとをこの順番に積層して形成されている。また、負極3は、正極1と同様に、負極電極層3aと、接着層4と、負極電極層3bと、接着層4と、負極電極層3cとをこの順番に積層して形成されている。   FIG. 2 is a schematic sectional view showing another example of the fuel cell power generating element of the present invention. In FIG. 2, this fuel cell power generating element includes a positive electrode 1 for reducing oxygen, a negative electrode 3 for oxidizing fuel, and a solid polymer electrolyte membrane 2 provided between the positive electrode 1 and the negative electrode 3. I have. The positive electrode 1 is formed by laminating a positive electrode layer 1a, an adhesive layer 4, a positive electrode layer 1b, an adhesive layer 4, and a positive electrode layer 1c in this order. Similarly to the positive electrode 1, the negative electrode 3 is formed by laminating a negative electrode layer 3a, an adhesive layer 4, a negative electrode layer 3b, an adhesive layer 4, and a negative electrode layer 3c in this order. .

接着層4としては、プロトン伝導性のみを有する接着性材料、またはプロトン伝導性と電子伝導性を併せ持つ接着性材料により構成することができる。なお、接着層としてプロトン伝導性のみを有する接着性材料を使用した場合には、後述する電極層に含まれる導電性材料を接着層内に拡散させるなどの別の手段により、この接着層にも最終的に電子伝導性を付与する必要がある。   The adhesive layer 4 can be made of an adhesive material having only proton conductivity or an adhesive material having both proton conductivity and electron conductivity. When an adhesive material having only proton conductivity is used as the adhesive layer, another method such as diffusing a conductive material contained in the electrode layer described later into the adhesive layer is also applied to the adhesive layer. Finally, it is necessary to impart electronic conductivity.

プロトン伝導性のみを有する接着性材料としては、プロトン伝導性の高分子材料、または接着性の高い高分子材料とプロトン伝導性の高分子材料との混合材料などを用いることができる。プロトン伝導性の高分子材料としては、例えば、ポリパーフルオロスルホン酸樹脂、スルホン化ポリエーテルスルホン酸樹脂、スルホン化ポリイミド樹脂、スチレン−ジビニルベンゼンスルホン酸樹脂などが挙げられる。また、このプロトン伝導性の高分子材料と混合して用いる接着性の高い高分子材料としては、例えば、ポリスチレン、ポリアクリロニトリル、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリ酢酸ビニルなどが挙げられる。   As the adhesive material having only proton conductivity, a polymer material having proton conductivity, a mixed material of a polymer material having high adhesiveness and a polymer material having proton conductivity, or the like can be used. Examples of the proton conductive polymer material include polyperfluorosulfonic acid resin, sulfonated polyethersulfonic acid resin, sulfonated polyimide resin, and styrene-divinylbenzenesulfonic acid resin. Examples of the high-adhesive polymer material used by mixing with the proton-conductive polymer material include polystyrene, polyacrylonitrile, polyethylene terephthalate (PET), and polyvinyl acetate.

また、プロトン伝導性と電子伝導性を併せ持つ接着性材料としては、プロトン伝導性と電子伝導性とを有する高分子材料、または電子伝導性の高分子材料と上記プロトン伝導性の高分子材料との混合材料などを用いることができる。プロトン伝導性と電子伝導性とを有する高分子材料としては、例えば、(アルキル)スルホン化ポリアニリン、(アルキル)スルホン化ポリピロール、(アルキル)スルホン化ポリチオフェン、(アルキル)スルホン化ポリp−フェニレン、(アルキル)スルホン化ポリフランなどが挙げられる。また、電子伝導性の高分子材料としては、例えば、ポリアニリン、アルキルポリアニリン、アルキルポリピロール、アルキルポリチオフェン、アルキルポリp−フェニレン、アルキルポリフランなどが挙げられる。   Further, as the adhesive material having both proton conductivity and electron conductivity, a polymer material having proton conductivity and electron conductivity, or a polymer material having electron conductivity and the above-mentioned proton conductive polymer material A mixed material or the like can be used. As the polymer material having proton conductivity and electron conductivity, for example, (alkyl) sulfonated polyaniline, (alkyl) sulfonated polypyrrole, (alkyl) sulfonated polythiophene, (alkyl) sulfonated poly p-phenylene, ( (Alkyl) sulfonated polyfuran and the like. Examples of the electron conductive polymer material include polyaniline, alkyl polyaniline, alkyl polypyrrole, alkyl polythiophene, alkyl poly p-phenylene, and alkyl polyfuran.

負極電極層3a〜3cは、触媒、導電性材料、高分子材料などから構成することができる。この負極電極層に含有される触媒としては、燃料からプロトンを生成する機能、即ち燃料を電気化学的に酸化する機能を有するものが使用でき、例えば、白金微粒子単独や、白金とルテニウム、インジウム、イリジウム、スズ、鉄、チタン、金、銀、クロム、ケイ素、亜鉛、マンガン、モリブデン、タングステン、レニウム、アルミニウム、鉛、パラジウム、オスミウムなどとの合金微粒子などが用いられる。導電性材料としては、主として炭素材料が用いられ、例えば、カーボンブラック、活性炭、カーボンナノチューブ、カーボンナノホーンなどが用いられる。一般的には、導電性材料の表面に、上記触媒を分散担持させた触媒担持カーボンの状態で用いられる。   The negative electrode layers 3a to 3c can be made of a catalyst, a conductive material, a polymer material, or the like. As the catalyst contained in the negative electrode layer, those having a function of generating protons from the fuel, that is, those having a function of electrochemically oxidizing the fuel can be used.For example, platinum fine particles alone, platinum and ruthenium, indium, Alloy fine particles of iridium, tin, iron, titanium, gold, silver, chromium, silicon, zinc, manganese, molybdenum, tungsten, rhenium, aluminum, lead, palladium, osmium, and the like are used. As the conductive material, a carbon material is mainly used, and for example, carbon black, activated carbon, carbon nanotube, carbon nanohorn and the like are used. Generally, it is used in a state of catalyst-supporting carbon in which the above-mentioned catalyst is dispersed and supported on the surface of a conductive material.

負極電極層3a〜3cに含まれる高分子材料としては、プロトン伝導性のみを有する材料、またはプロトン伝導性と電子伝導性を併せ持つ材料が使用されるが、接着層4に用いた高分子材料と同種の高分子材料を用いるのが好ましい。同種のものであれば接着層と電極層との接触抵抗(界面抵抗)を低下させることができるからである。   As the polymer material contained in the negative electrode layers 3a to 3c, a material having only proton conductivity or a material having both proton conductivity and electron conductivity is used. It is preferable to use the same kind of polymer material. This is because the same type can reduce the contact resistance (interface resistance) between the adhesive layer and the electrode layer.

さらに、負極電極層3a〜3cには、バインダとして、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)樹脂やポリビニリデンフルオライド(PVDF)樹脂、ポリエチレン(PE)樹脂などが含まれる場合がある。   Further, the negative electrode layers 3a to 3c may include a binder such as polytetrafluoroethylene (PTFE) resin, polyvinylidene fluoride (PVDF) resin, polyethylene (PE) resin, or the like.

正極電極層1a〜1cも、触媒、導電性材料、高分子材料などから構成することができる。この正極電極層中に含有される触媒としては、酸素を電気化学的に還元する機能を有するものが使用でき、例えば、白金微粒子や、鉄、ニッケル、コバルト、錫、ルテニウムまたは金などと白金との合金微粒子などが用いられる。また、導電性材料、高分子材料、バインダについては、負極と同様のものを使用できる。   The positive electrode layers 1a to 1c can also be made of a catalyst, a conductive material, a polymer material, or the like. As the catalyst contained in the positive electrode layer, those having a function of electrochemically reducing oxygen can be used, for example, platinum fine particles, iron, nickel, cobalt, tin, ruthenium or gold and platinum and Alloy fine particles are used. As the conductive material, the polymer material, and the binder, the same materials as those for the negative electrode can be used.

正極1と負極3との間に配置される固体高分子電解質膜2としては、電子伝導性を持たず、プロトン伝導性のみを有する材料により構成される。例えば、ポリパーフルオロスルホン酸樹脂膜、具体的には、デュポン社製の“ナフィオン”(商品名)、旭硝子社製の“フレミオン”(商品名)、旭化成工業社製の“アシプレックス”(商品名)などの膜を使用できる。その他では、スルホン化ポリエーテルスルホン酸樹脂膜、スルホン化ポリイミド樹脂膜、硫酸ドープポリベンズイミダゾール膜、固体電解質として知られているリン酸ドープSiO2膜、高分子と固体電解質のハイブリッド膜、または高分子および酸化物に酸性溶液を含浸させたゲル電解質膜などが挙げられる。 The solid polymer electrolyte membrane 2 disposed between the positive electrode 1 and the negative electrode 3 is made of a material having no proton conductivity and having only proton conductivity. For example, a polyperfluorosulfonic acid resin membrane, specifically, "Nafion" (trade name) manufactured by DuPont, "Flemion" (trade name) manufactured by Asahi Glass Co., Ltd., "Aciplex" (trade name) manufactured by Asahi Kasei Corporation Can be used. Others include a sulfonated polyether sulfonic acid resin film, a sulfonated polyimide resin film, a sulfuric acid-doped polybenzimidazole film, a phosphoric acid-doped SiO 2 film known as a solid electrolyte, a hybrid film of a polymer and a solid electrolyte, or Examples include a gel electrolyte membrane in which molecules and oxides are impregnated with an acidic solution.

続いて、本発明の燃料電池用発電素子の製造方法に関する一形態について説明する。
先ず、第1の本実施形態では、最初に電極層の形成に用いる電極ペーストを調製する。この電極ペーストは、エタノール、プロパノールなどの低級アルコールを主成分とする溶媒に、触媒、導電性材料、高分子材料、さらに必要に応じてバインダなどを溶解、分散させ、その溶液を充分攪拌して調製する。
Next, an embodiment of a method for manufacturing a power generating element for a fuel cell according to the present invention will be described.
First, in the first embodiment, first, an electrode paste used for forming an electrode layer is prepared. This electrode paste is prepared by dissolving and dispersing a catalyst, a conductive material, a polymer material, and, if necessary, a binder in a solvent mainly composed of a lower alcohol such as ethanol and propanol, and sufficiently stirring the solution. Prepare.

また、別途、表面に接着層を設けた離型性基板を準備する。この離型性基板としては、例えば、PTFEフィルム、PETフィルム、ポリイミドフィルム、PTFEコートポリイミドフィルム、PTFEコートシリコンシート、PTFEコートガラスクロスなどを用いることができる。この離型性基板上に設けた接着層の厚さは、1〜5μmの範囲が好ましい。この範囲内であれば、接着層としての機能を十分発揮でき、電極層の積層転写が良好に行えるとともに、後述の電極層内に含まれる導電性材料が接着層にも拡散しやすくなるため電子抵抗が大きくならず、酸素や燃料の拡散抵抗も低減できるからである。   Separately, a release substrate having an adhesive layer on the surface is prepared. As the release substrate, for example, a PTFE film, a PET film, a polyimide film, a PTFE-coated polyimide film, a PTFE-coated silicon sheet, a PTFE-coated glass cloth, or the like can be used. The thickness of the adhesive layer provided on the release substrate is preferably in the range of 1 to 5 μm. Within this range, the function as the adhesive layer can be sufficiently exhibited, the lamination transfer of the electrode layer can be performed favorably, and the conductive material contained in the electrode layer described later is easily diffused into the adhesive layer. This is because the resistance does not increase and the diffusion resistance of oxygen and fuel can be reduced.

また、上記接着層に用いる接着性材料は、前述したプロトン伝導性のみを有する接着性材料、またはプロトン伝導性と電子伝導性を併せ持つ接着性材料のいずれでも使用できる。   Further, as the adhesive material used for the adhesive layer, any of the above-described adhesive materials having only proton conductivity or the adhesive materials having both proton conductivity and electron conductivity can be used.

次に、この離型性基板上に設けた接着層の上に、上記電極ペーストを塗布して乾燥することにより電極層を形成させる。形成した電極層の厚さは、電極層の多孔性構造および構造的無欠性を損なわず、かつ触媒量がある程度確保できる範囲である10〜50μmとする。また、電極層に含まれる触媒量(単位電極面積当たりの質量)は、0.3〜3mg/cmの範囲が好ましい。触媒量がこの範囲内であれば、電極層の総積層数を多くしなくても、必要な触媒量を確保できるからである。 Next, an electrode layer is formed by applying and drying the above-mentioned electrode paste on the adhesive layer provided on the release substrate. The thickness of the formed electrode layer is set to 10 to 50 μm which does not impair the porous structure and structural integrity of the electrode layer and can ensure a certain amount of catalyst. Further, the amount of catalyst (mass per unit electrode area) contained in the electrode layer is preferably in the range of 0.3 to 3 mg / cm 2 . If the amount of the catalyst is within this range, the necessary amount of the catalyst can be ensured without increasing the total number of electrode layers.

その後、接着層を介して離型性基板上に形成した上記電極層を、離型性基板ごと所定の電極サイズに裁断し、固体高分子電解質膜の両面に、電極層面を固体高分子電解質膜側にして重ね合わせ、ホットプレス、あるいはホットロールプレスにより電極層を固体高分子電解質膜に転写・接合させる。その後、離型性基板を剥がし取り、一度目の転写による発電素子前駆体が得られる。   Thereafter, the electrode layer formed on the releasable substrate via the adhesive layer is cut into a predetermined electrode size together with the releasable substrate, and the electrode layer surface is formed on both sides of the solid polymer electrolyte membrane. The electrode layers are transferred and joined to the solid polymer electrolyte membrane by hot pressing or hot roll pressing. Thereafter, the release substrate is peeled off, and a power generation element precursor is obtained by the first transfer.

続いて、上記と同様にして作製した電極層を、上記発電素子前駆体の両面に表出した接着層に重ね合わせ、2度目のホットプレス、あるいはホットロールプレスを行う。これにより上記と同様にして電極層を発電素子前駆体に転写・接合することができる。ここで得た発電素子前駆体では、電極層と接着層との接合部分において両者が渾然一体となり、接着層にプロトン伝導性のみを有する材料を用いても、電極層に含まれる導電性材料の拡散により接着層にも電子伝導性を付与することができる。このため、本実施形態では、接着層に用いる高分子材料は、少なくともプロトン伝導性を有すればよく、必ずしも電子伝導性までも要求されない。   Subsequently, the electrode layers produced in the same manner as above are superimposed on the adhesive layers exposed on both surfaces of the power generation element precursor, and a second hot press or hot roll press is performed. Thus, the electrode layer can be transferred and joined to the power generation element precursor in the same manner as described above. In the power-generating element precursor obtained here, at the joint portion between the electrode layer and the adhesive layer, both are united together, and even if a material having only proton conductivity is used for the adhesive layer, the conductive material contained in the electrode layer can be used. Electron conductivity can also be imparted to the adhesive layer by diffusion. Therefore, in the present embodiment, the polymer material used for the adhesive layer only needs to have at least proton conductivity, and is not necessarily required to have electronic conductivity.

これらの操作を数回繰り返した後、最後に離型性基板上に電極層のみを形成したものを転写・接合させることにより、電極の厚膜化と、多孔性構造および構造的無欠性とを両立させた燃料電池用発電素子が作製される。   After repeating these operations several times, finally, by transferring and joining only the electrode layer formed on the releasable substrate, the thickness of the electrode can be increased, and the porous structure and structural integrity can be improved. A compatible fuel cell power generation element is manufactured.

なお、上記燃料電池用発電素子の最終的な正極、負極のそれぞれの総厚みは、30〜300μmの範囲が好適である。この範囲内であれば、十分な電池特性を得るのに必要な触媒量が十分確保でき、また、酸素や燃料の拡散に支障が生じないからである。50μm以下の厚みの場合は、積層体とせず単層で電極を形成することもできるが、積層体とすることにより、より均質な電極を容易に形成することが可能となる。また、60μm以上の厚みの電極を形成する場合には、本発明を用いるとより一層効果的である。   The total thickness of each of the final positive electrode and negative electrode of the fuel cell power generation element is preferably in the range of 30 to 300 μm. Within this range, a sufficient amount of catalyst for obtaining sufficient battery characteristics can be ensured, and there is no problem in diffusion of oxygen and fuel. When the thickness is 50 μm or less, an electrode can be formed as a single layer without forming a laminated body. However, by forming a laminated body, a more uniform electrode can be easily formed. In the case where an electrode having a thickness of 60 μm or more is formed, the present invention is more effective.

次に、本発明の燃料電池用発電素子の製造方法に関する第2の実施形態について説明する。本実施形態でも、先ず電極層の形成に用いる電極ペーストを上記と同様に調製する。次に、上記と同様の離型性基板上に、この電極ペーストのみを塗布して乾燥することにより電極層を形成させる。形成した電極層の厚さは、電極層の多孔性構造および構造的無欠性を損なわず、かつ触媒量がある程度確保できる範囲である10〜50μmとする。また、電極層に含まれる触媒量(単位電極面積当たりの質量)は、上記と同様に0.3〜3mg/cmの範囲とするのが好適である。 Next, a description will be given of a second embodiment of the method for manufacturing a power generating element for a fuel cell according to the present invention. Also in this embodiment, first, an electrode paste used for forming an electrode layer is prepared in the same manner as described above. Next, an electrode layer is formed by applying and drying only the electrode paste on the same releasable substrate as described above. The thickness of the formed electrode layer is set to 10 to 50 μm which does not impair the porous structure and structural integrity of the electrode layer and can ensure a certain amount of catalyst. Also, the amount of catalyst (mass per unit electrode area) contained in the electrode layer is preferably in the range of 0.3 to 3 mg / cm 2 as described above.

その後、離型性基板上に形成した上記電極層を、離型性基板ごと所定の電極サイズに裁断し、固体高分子電解質膜の両面に、電極層面を固体高分子電解質膜側にして重ね合わせ、ホットプレス、あるいはホットロールプレスにより電極層を固体高分子電解質膜に転写・接合させる。その後、離型性基板を剥がし取り、一度目の転写による発電素子前駆体が得られる。   Then, the above-mentioned electrode layer formed on the release substrate is cut into a predetermined electrode size together with the release substrate, and is superposed on both surfaces of the solid polymer electrolyte membrane with the electrode layer surface facing the solid polymer electrolyte membrane. The electrode layer is transferred and joined to the polymer electrolyte membrane by hot pressing or hot roll pressing. Thereafter, the release substrate is peeled off, and a power generation element precursor is obtained by the first transfer.

続いて、上記と同様にして作製した電極層を、上記発電素子前駆体の両面に重ね合わせ、2度目のホットプレス、あるいはホットロールプレスを行う。この際、別途用意した電極と同一サイズの接着層からなる薄膜を、上記発電素子前駆体と電極層の間に配置しておく。これにより、この薄膜が接着層として働き、電極層を発電素子前駆体に転写・接合することができる。ここで得た発電素子前駆体では、電極層と接着層との接合部分において両者が渾然一体となりにくい場合もあるので、本実施形態では、接着層に用いる高分子材料は、プロトン伝導性と電子伝導性を併せ持つ材料が望ましい。   Subsequently, the electrode layers prepared in the same manner as above are superimposed on both surfaces of the power generation element precursor, and a second hot press or hot roll press is performed. At this time, a thin film made of an adhesive layer having the same size as the separately prepared electrode is arranged between the power generation element precursor and the electrode layer. Thereby, this thin film functions as an adhesive layer, and the electrode layer can be transferred and joined to the power generation element precursor. In the power generation element precursor obtained here, there is a case where the electrode layer and the adhesive layer are hardly united at the joint portion in some cases. Therefore, in this embodiment, the polymer material used for the adhesive layer is proton conductive and electron conductive. A material having both conductivity is desirable.

上記接着層の薄膜の厚さは、1〜5μmの範囲が好ましい。この範囲内であれば、接着層としての機能を十分発揮でき、電極層の積層転写が良好に行えるとともに、電子抵抗が大きくならず、酸素や燃料の拡散抵抗も低減できるからである。   The thickness of the thin film of the adhesive layer is preferably in the range of 1 to 5 μm. Within this range, the function as the adhesive layer can be sufficiently exhibited, the lamination transfer of the electrode layer can be performed well, the electronic resistance does not increase, and the diffusion resistance of oxygen and fuel can be reduced.

これらの操作を数回繰り返すことにより、電極の厚膜化と、多孔性構造および構造的無欠性とを両立させた燃料電池用発電素子が作製される。上記記燃料電池用発電素子の最終的な電極の総厚みは、上記と同様に30〜300μmの範囲が好適である。さらに、60μm以上の厚みの電極を形成する場合には、本発明を用いるとより効果的である。   By repeating these operations several times, a fuel cell power generation element having both a thick electrode and a porous structure and structural integrity is produced. The final total thickness of the electrode of the fuel cell power generating element is preferably in the range of 30 to 300 μm as in the above. Further, when an electrode having a thickness of 60 μm or more is formed, the present invention is more effective.

上記のようにして作製される負極または正極の電極積層体においては、各電極層の内部よりもその界面部分に、プロトン伝導性を有する高分子材料を多く存在させた構成とすることができ、上記高分子材料が濃化した界面部分が接着層として機能することにより、各電極層を好ましく一体化し積層体とすることができる。   In the electrode laminate of the negative electrode or the positive electrode manufactured as described above, a structure in which a large amount of a polymer material having proton conductivity can be present at an interface portion of each electrode layer rather than inside the electrode layer, Since the interface portion where the polymer material is concentrated functions as an adhesive layer, each electrode layer can be preferably integrated to form a laminate.

なお、各電極層の構成はそれぞれ異なるものであってもよく、触媒の種類や量などを電極層ごとに変えたり、各電極層の厚みを変えたりすることにより、望ましい電極特性を発揮させることもできる。   The configuration of each electrode layer may be different from each other, and the desired electrode characteristics can be exhibited by changing the type and amount of the catalyst for each electrode layer, or by changing the thickness of each electrode layer. You can also.

上記燃料電池用発電素子は、正極および負極の両側にさらに拡散層を設け、正極および負極のそれぞれに集電板を設けて電気的な接続を行い、負極に、メタノールを含む液体燃料を、正極に空気(酸素)をそれぞれ供給することにより、燃料電池として作用させることができる。   The fuel cell power generating element is further provided with a diffusion layer on both sides of the positive electrode and the negative electrode, a current collector is provided on each of the positive electrode and the negative electrode to make an electrical connection, the negative electrode, a liquid fuel containing methanol, the positive electrode By supplying air (oxygen) to the fuel cell, it is possible to function as a fuel cell.

以下、本発明を実施例に基づき説明する。なお、本発明は、以下の実施例に限定されるものではない。   Hereinafter, the present invention will be described based on examples. Note that the present invention is not limited to the following embodiments.

図1に示したものと同様の構造の燃料電池用発電素子を以下の手順により作製した。   A fuel cell power generating element having the same structure as that shown in FIG. 1 was produced by the following procedure.

正極については、触媒として白金を50質量%担持させた田中貴金属工業社製の白金担持カーボン“10E50E”(商品名)1質量部を、ポリパーフルオロスルホン酸樹脂の5質量%溶液であるアルドリッチ(Aldrich)社製の“ナフィオン(Nafion)”(商品名、EW=1000)溶液12質量部および水1質量部に添加し、均一に分散するよう混合液を充分に攪拌することで電極ペーストを調製した。なお、上記のEWとは、プロトン伝導性を有するイオン交換基(本実施例ではスルホン酸基)の当量質量を表している。当量質量は、イオン交換基1当量あたりのイオン交換樹脂の乾燥質量であり、「g/ew」の単位で表される。   For the positive electrode, 1 part by mass of platinum-supported carbon “10E50E” (trade name) manufactured by Tanaka Kikinzoku Kogyo Co., Ltd. supporting 50% by mass of platinum as a catalyst was mixed with Aldrich (a 5% by mass solution of polyperfluorosulfonic acid resin). An electrode paste is prepared by adding 12 parts by weight of "Nafion" (trade name, EW = 1000) solution and 1 part by weight of water manufactured by Aldrich Co., Ltd., and sufficiently stirring the mixed solution so as to be uniformly dispersed. did. The above EW represents the equivalent mass of an ion exchange group having proton conductivity (a sulfonic acid group in this example). The equivalent mass is a dry mass of the ion exchange resin per equivalent of the ion exchange group, and is expressed in units of “g / ew”.

次に、予めその表面に接着層として上記“ナフィオン”溶液を厚さ5μmとなるように塗布したPTFEフィルムを準備し、その接着層の上に、上記電極ペーストを塗布して乾燥し、触媒担持量1.0mg/cm、厚さ30μmの電極層を得た。この電極層を所定のサイズに切り出して正極電極層A1とした。 Next, a PTFE film is prepared in which the above-mentioned “Nafion” solution is applied on the surface thereof as an adhesive layer so as to have a thickness of 5 μm, and the above-mentioned electrode paste is applied on the adhesive layer, dried, and the catalyst is supported. An electrode layer having an amount of 1.0 mg / cm 2 and a thickness of 30 μm was obtained. This electrode layer was cut out to a predetermined size to obtain a positive electrode layer A1.

負極については、触媒として白金とルテニウムの合金(合金質量比1:1)を33質量%担持させた田中貴金属工業社製の白金・ルテニウム合金担持カーボン“61V33”(商品名)を用いた以外は、上記正極と同様の方法で触媒担持量1.0mg/cm2、厚さ35μmの電極層を得た。この電極層を正極同様に所定のサイズに切り出して負極電極層B1とした。 For the negative electrode, a platinum / ruthenium alloy-supported carbon “61V33” (trade name) manufactured by Tanaka Kikinzoku Kogyo Co., Ltd., which supported 33% by mass of an alloy of platinum and ruthenium (alloy mass ratio 1: 1) as a catalyst, was used. An electrode layer having a catalyst carrying amount of 1.0 mg / cm 2 and a thickness of 35 μm was obtained in the same manner as in the positive electrode. This electrode layer was cut out to a predetermined size in the same manner as the positive electrode, to obtain a negative electrode layer B1.

固体高分子電解質膜(以下、電解質膜という。)としては、デュポン(DuPont)社製のポリパーフルオロスルホン酸樹脂膜“Nafion 112”(商品名)を所定のサイズに切り出して用いた。   As a solid polymer electrolyte membrane (hereinafter, referred to as an electrolyte membrane), a polyperfluorosulfonic acid resin membrane “Nafion 112” (trade name) manufactured by DuPont was cut into a predetermined size and used.

この電解質膜の両面に、先に作製した正極電極層A1と負極電極層B1とを、電極面を電解質膜側にして対向して重ね合わせ、温度160℃、圧力4.4MPaの条件でホットプレスを行い、これらを接合した。その後、両面のPTFEフィルムを剥がし、発電素子前駆体C1とした。   The positive electrode layer A1 and the negative electrode layer B1 previously prepared are superposed on both sides of the electrolyte membrane with the electrode surface facing the electrolyte membrane, and hot pressed at a temperature of 160 ° C. and a pressure of 4.4 MPa. And joined them. After that, the PTFE films on both sides were peeled off to obtain a power generation element precursor C1.

続いて、この発電素子前駆体C1の両面に、表面に接着層を塗布していないPTFEフィルムを使用する以外は、上記と同様の方法で作製した正極電極層A2と負極電極層B2を、電極面を発電素子前駆体側にして、同一極同士が電極層部分と重なるように配置し、温度160℃、圧力4.4MPaの条件で2度目のホットプレスを行い、これらを接合した。その後、両面のPTFEフィルムを剥がし、正極、負極がそれぞれ2層の電極層から成る燃料電池用発電素子を得た。   Subsequently, a positive electrode layer A2 and a negative electrode layer B2 produced in the same manner as described above, except that a PTFE film having no adhesive layer applied to the surface thereof were used on both surfaces of the power generation element precursor C1, were used. The same poles were arranged so as to overlap the electrode layer portion with the surface facing the power generation element precursor, and a second hot press was performed at a temperature of 160 ° C. and a pressure of 4.4 MPa to join them. Thereafter, the PTFE films on both sides were peeled off, to obtain a fuel cell power generating element in which the positive electrode and the negative electrode each consisted of two electrode layers.

この発電素子の電極厚さは、正極:65μm、負極:75μmであった。また、触媒量は、1.0mg/cmの電極層を2層積層したことから、正負両極とも2.0mg/cmである。 The electrode thickness of this power generation element was 65 μm for the positive electrode and 75 μm for the negative electrode. The amount of the catalyst was 2.0 mg / cm 2 for both the positive and negative electrodes since two electrode layers of 1.0 mg / cm 2 were laminated.

図2に示したものと同様の構造の燃料電池用発電素子を以下の手順により作製した。   A power generating element for a fuel cell having the same structure as that shown in FIG. 2 was produced by the following procedure.

先ず、実施例1の発電素子前駆体C1の両面に、さらに実施例1に記載の正極電極層A1と負極正極層B1とを、電極面を電解質膜側にして対向して重ね合わせ、温度160℃、圧力4.4MPaの条件でホットプレスを行い、これらを接合した。その後、両面のPTFEフィルムを剥がし、発電素子前駆体C2とした。   First, the positive electrode layer A1 and the negative electrode positive layer B1 described in Example 1 were further overlaid on both surfaces of the power generation element precursor C1 of Example 1 so that the electrode surfaces faced the electrolyte membrane, and the temperature was 160 ° C. Hot pressing was performed under the conditions of ° C. and a pressure of 4.4 MPa, and these were joined. Thereafter, the PTFE films on both sides were peeled off to obtain a power generation element precursor C2.

次に、この発電素子前駆体C2の両面に、実施例1に記載の正極電極層A2と負極電極層B2を、電極面を発電素子前駆体側にして、同一極同士が電極層部分と重なるように配置し、温度160℃、圧力4.4MPaの条件で3度目のホットプレスを行い、これらを接合した。その後、両面のPTFEフィルムを剥がし、正極、負極がそれぞれ3層の電極層から成る燃料電池用発電素子を得た。   Next, the positive electrode layer A2 and the negative electrode layer B2 described in Example 1 are placed on both surfaces of the power generation element precursor C2, and the same electrodes overlap the electrode layer portions with the electrode surfaces facing the power generation element precursor. , And a third hot press was performed under the conditions of a temperature of 160 ° C. and a pressure of 4.4 MPa to join them. Thereafter, the PTFE films on both sides were peeled off, to obtain a fuel cell power generating element in which each of the positive electrode and the negative electrode was composed of three electrode layers.

この発電素子の電極厚さは、正極:100μm、負極:115μmであった。また、触媒量は、1.0mg/cmの電極層を3層積層したことから、正負両極とも3.0mg/cmである。 The electrode thickness of this power generation element was 100 μm for the positive electrode and 115 μm for the negative electrode. The amount of the catalyst was 3.0 mg / cm 2 for both positive and negative electrodes because three electrode layers of 1.0 mg / cm 2 were laminated.

図1に示したものと同様の構造の燃料電池用発電素子を以下の手順により作製した。   A fuel cell power generating element having the same structure as that shown in FIG. 1 was produced by the following procedure.

実施例1に記載の電解質膜の両面に、実施例1に記載の正極電極層A2と負極電極層B2とを、電極面を電解質膜側にして対向して重ね合わせ、温度160℃、圧力4.4MPaの条件でホットプレスを行い、これらを接合した。その後、両面のPTFEフィルムを剥がし、発電素子前駆体C3とした。   The positive electrode layer A2 and the negative electrode layer B2 described in Example 1 were superposed on both surfaces of the electrolyte membrane described in Example 1 with the electrode surface facing the electrolyte membrane, and the temperature was 160 ° C and the pressure was 4 ° C. Hot pressing was performed under the condition of 0.4 MPa, and these were joined. After that, the PTFE films on both sides were peeled off to obtain a power generation element precursor C3.

次に、接着層としてポリアニリンとポリパーフルオロスルホン酸樹脂との混合樹脂からなる厚さ5μmの薄膜を準備し、これを電極と同一サイズに切り出して固体電解質膜Dとした。   Next, a 5 μm-thick thin film made of a mixed resin of polyaniline and polyperfluorosulfonic acid resin was prepared as an adhesive layer, and this was cut into the same size as the electrodes to obtain a solid electrolyte membrane D.

続いて、この発電素子前駆体C3の両電極面に、この固体電解質膜Dを重ね、さらにその上から実施例1に記載の正極電極層A2と負極電極層B2とを、電極面を発電素子前駆体側にして、同一極同士が電極層部分と重なるように配置し、温度160℃、圧力4.4MPaの条件で2度目のホットプレスを行い、これらを接合した。その後、両面のPTFEフィルムを剥がし、2層の電極層から成る燃料電池用発電素子を得た。   Subsequently, the solid electrolyte membrane D is superimposed on both electrode surfaces of the power generation element precursor C3, and the positive electrode layer A2 and the negative electrode layer B2 described in Example 1 are further superposed thereon. On the precursor side, the same electrodes were arranged so as to overlap with the electrode layer portion, and a second hot press was performed under the conditions of a temperature of 160 ° C. and a pressure of 4.4 MPa to join them. Thereafter, the PTFE films on both sides were peeled off to obtain a fuel cell power generating element composed of two electrode layers.

この発電素子の電極厚さは、正極:65μm、負極:75μmであった。また、触媒量は、1.0mg/cmの電極層を2層積層したことから、正負両極とも2.0mg/cmである。 The electrode thickness of this power generation element was 65 μm for the positive electrode and 75 μm for the negative electrode. The amount of the catalyst was 2.0 mg / cm 2 for both the positive and negative electrodes since two electrode layers of 1.0 mg / cm 2 were laminated.

図2に示したものと同様の構造の燃料電池用発電素子を以下の手順により作製した。   A power generating element for a fuel cell having the same structure as that shown in FIG. 2 was produced by the following procedure.

実施例3で作製した燃料電池用発電素子の両面に、実施例3の固体電解質膜Dを重ね、さらにその上から実施例1に記載の正極電極層A2と負極電極層B2を、電極面を発電素子側にして、同一極同士が電極層部分と重なるように配置し、温度160℃、圧力4.4MPaの条件で3度目のホットプレスを行い、これらを接合した。その後、両面のPTFEフィルムを剥がし、3層の電極層から成る燃料電池用発電素子を得た。   The solid electrolyte membrane D of Example 3 was overlaid on both sides of the fuel cell power generation element produced in Example 3, and the positive electrode layer A2 and the negative electrode layer B2 described in Example 1 were further superposed thereon. On the power generation element side, the same poles were arranged so as to overlap the electrode layer portion, and a third hot press was performed under the conditions of a temperature of 160 ° C. and a pressure of 4.4 MPa to join them. Thereafter, the PTFE films on both sides were peeled off to obtain a fuel cell power generating element including three electrode layers.

この発電素子の電極厚さは、正極:100μm、負極:115μmであった。また、触媒量は、1.0mg/cmの電極層を3層積層したことから、正負両極とも3.0mg/cmである。
(比較例1)
The electrode thickness of this power generation element was 100 μm for the positive electrode and 115 μm for the negative electrode. The amount of the catalyst was 3.0 mg / cm 2 for both positive and negative electrodes because three electrode layers of 1.0 mg / cm 2 were laminated.
(Comparative Example 1)

図3は、それぞれ1層構造の正極1、負極3、および固体高分子電解質膜2からなる比較例1の燃料電池用発電素子の模式断面図である。この燃料電池用発電素子は、実施例3で作製した発電素子前駆体C3をそのまま発電素子として使用したものである、   FIG. 3 is a schematic cross-sectional view of a fuel cell power generation element of Comparative Example 1 including a positive electrode 1, a negative electrode 3, and a solid polymer electrolyte membrane 2 each having a one-layer structure. This power generation element for a fuel cell uses the power generation element precursor C3 produced in Example 3 as it is as a power generation element.

この発電素子の電極厚さは、正極:30μm、負極:35μmである。また、触媒量は、1.0mg/cmの電極層の単層構造であるから、正負両極とも1.0mg/cmである。
(比較例2)
The electrode thickness of this power generation element is 30 μm for the positive electrode and 35 μm for the negative electrode. The amount of the catalyst is 1.0 mg / cm 2 for both the positive and negative electrodes because of the single layer structure of the electrode layer of 1.0 mg / cm 2 .
(Comparative Example 2)

図4は、それぞれ1層構造の正極1、負極3、および固体高分子電解質膜2からなる比較例2の燃料電池用発電素子の模式断面図である。この燃料電池用発電素子は、触媒担持量2.0mg/cm、厚さ65μmの正極電極層、触媒担持量2.0mg/cm、厚さ75μmの負極電極層を用いた以外は、比較例1と同様にして作製した。
(比較例3)
FIG. 4 is a schematic cross-sectional view of a fuel cell power generation element of Comparative Example 2 including a positive electrode 1, a negative electrode 3, and a solid polymer electrolyte membrane 2 each having a one-layer structure. This fuel cell power generating element was a comparative example except that a positive electrode layer having a catalyst loading of 2.0 mg / cm 2 and a thickness of 65 μm and a negative electrode layer having a catalyst loading of 2.0 mg / cm 2 and a thickness of 75 μm were used. It was produced in the same manner as in Example 1.
(Comparative Example 3)

比較例3では、触媒担持量3.0mg/cm、厚さ100μmの正極電極層、触媒担持量3.0mg/cm、厚さ115μmの負極電極層を用いる以外は、比較例1と同様にして燃料電池用発電素子を作製しようと試みたが、電極層の厚膜化の工程中に、電極層の表面に無数のクラックが発生し、PTFEフィルムからの電極層の剥離、脱落が生じ、本比較例の作製条件では、実用的な電極層が作製できなかった。 Comparative Example 3 was the same as Comparative Example 1 except that a positive electrode layer having a catalyst loading of 3.0 mg / cm 2 and a thickness of 100 μm, and a negative electrode layer having a catalyst loading of 3.0 mg / cm 2 and a thickness of 115 μm were used. To produce a power generation element for a fuel cell, the number of cracks occurred on the surface of the electrode layer during the process of thickening the electrode layer, and the electrode layer was peeled off and dropped off from the PTFE film. Under the manufacturing conditions of the present comparative example, a practical electrode layer could not be manufactured.

上記実施例1〜4、比較例1および2の燃料電池用発電素子を、集電体を兼ねたガス拡散層と共に燃料電池評価用単セルに組み込んで評価試験を行った。図5は、その燃料電池評価用単セルの各構成部品を結合させる前を示す模式断面図であり、燃料電池用発電素子5の両側にはカーボンクロスからなる拡散層6が配置され、その周囲にはシリコンゴムからなるシール材7が配置されている。さらに、その両側には、酸素流入孔10を備えたステンレス製の正極集電板8と、燃料供給孔11を備えたステンレス製の負極集電板9が配置され、負極集電板9の外側には液体燃料13を貯蔵した燃料タンク12が備えられている。   An evaluation test was conducted by incorporating the power generating elements for fuel cells of Examples 1 to 4 and Comparative Examples 1 and 2 into a single cell for fuel cell evaluation together with a gas diffusion layer also serving as a current collector. FIG. 5 is a schematic cross-sectional view showing a state before the components of the single cell for fuel cell evaluation are combined, and a diffusion layer 6 made of carbon cloth is arranged on both sides of the fuel cell power generation element 5. Is provided with a sealing material 7 made of silicone rubber. Further, on both sides thereof, a stainless steel positive electrode current collector plate 8 having an oxygen inlet hole 10 and a stainless steel negative electrode current collector plate 9 having a fuel supply hole 11 are arranged. Is provided with a fuel tank 12 storing a liquid fuel 13.

評価試験は、酸化剤に大気中の酸素、液体燃料に15質量%のメタノール水溶液を用い、セル温度を25℃として燃料電池評価用単セルを放電させ、最大出力密度を測定した。その結果を表1に示す。   In the evaluation test, a single cell for fuel cell evaluation was discharged at a cell temperature of 25 ° C. using oxygen in the atmosphere as an oxidizing agent and a 15% by mass aqueous methanol solution as a liquid fuel, and the maximum output density was measured. Table 1 shows the results.

Figure 2004247294
Figure 2004247294

表1から明らかなように、実施例1〜4では、比較例1を基準にして、触媒量の増加にほぼ比例する形で最大出力密度が向上している。これは、各電極層が多孔性構造と構造的無欠性を維持しているためと考えられる。一方、比較例2は、同一触媒量である実施例1に比べて最大出力密度が大きく劣っており、比較例3に至っては先に述べたように電極層の作製自体が不可能であった。従って、電極層の厚膜化と、電極層の多孔性構造および構造的無欠性とを両立させるためには、本発明による積層構造および積層転写方法が好適であり、そのようにして作製した燃料電池用発電素子が良好な電池特性を示すことが確認された。   As is clear from Table 1, in Examples 1 to 4, the maximum output density is improved in a manner substantially proportional to the increase in the amount of the catalyst, based on Comparative Example 1. This is probably because each electrode layer maintains a porous structure and structural integrity. On the other hand, in Comparative Example 2, the maximum output density was significantly inferior to that in Example 1 in which the amount of the catalyst was the same, and in Comparative Example 3, it was impossible to produce the electrode layer itself as described above. . Therefore, in order to achieve both the thickening of the electrode layer and the porous structure and structural integrity of the electrode layer, the laminated structure and the laminated transfer method according to the present invention are suitable, and the fuel thus produced is It was confirmed that the battery power generation element exhibited good battery characteristics.

以上説明したように本発明は、燃料電池用発電素子の電極層の厚膜化と、電極層の多孔性構造および構造的無欠性とを両立させ、素子の高出力化を図ることができる。このため、この燃料電池用発電素子を用いた燃料電池を携帯電子機器の電源に使用することで、機器の小型化、軽量化を図ることができる。   As described above, according to the present invention, it is possible to achieve both high thickness of the electrode layer of the power generation element for a fuel cell and the porous structure and structural integrity of the electrode layer, and to increase the output of the element. Therefore, by using a fuel cell using the fuel cell power generation element as a power source of a portable electronic device, the size and weight of the device can be reduced.

本発明の燃料電池用発電素子の一例を示す断面図である。FIG. 2 is a cross-sectional view illustrating an example of a fuel cell power generating element of the present invention. 本発明の燃料電池用発電素子の他の一例を示す断面図である。It is sectional drawing which shows another example of the power generation element for fuel cells of this invention. 比較例1の燃料電池用発電素子の断面図である。FIG. 3 is a cross-sectional view of a fuel cell power generation element of Comparative Example 1. 比較例2の燃料電池用発電素子の断面図である。FIG. 7 is a cross-sectional view of a fuel cell power generation element of Comparative Example 2. 燃料電池評価用単セルの組み立て前の各構成部品を示す断面図である。It is sectional drawing which shows each component before assembling of the unit cell for fuel cell evaluation.

符号の説明Explanation of reference numerals

1 正極
1a 正極電極層
1b 正極電極層
1c 正極電極層
2 固体高分子電解質膜
3 負極
3a 負極電極層
3b 負極電極層
3c 負極電極層
4 接着層
5 燃料電池用発電素子
6 拡散層
7 シール材
8 正極集電板
9 負極集電板
10 酸素流入孔
11 燃料供給孔
12 燃料タンク
13 液体燃料
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Positive electrode 1a Positive electrode layer 1b Positive electrode layer 1c Positive electrode layer 2 Solid polymer electrolyte membrane 3 Negative electrode 3a Negative electrode layer 3b Negative electrode layer 3c Negative electrode layer 4 Adhesive layer 5 Fuel cell power generation element 6 Diffusion layer 7 Sealing material 8 Positive electrode current collector 9 Negative electrode current collector 10 Oxygen inflow hole 11 Fuel supply hole 12 Fuel tank 13 Liquid fuel

Claims (16)

酸素を還元する正極と、燃料を酸化する負極と、前記正極と前記負極との間に設けられた固体電解質とを備えた燃料電池用発電素子であって、
前記正極および負極の少なくとも一方が、触媒を含む電極層を2層以上積層してなる積層体を有し、
前記電極層の厚さが、50μm以下であり、前記各電極層の間に接着層が配置されていることを特徴とする燃料電池用発電素子。
A fuel cell power generating element including a positive electrode for reducing oxygen, a negative electrode for oxidizing fuel, and a solid electrolyte provided between the positive electrode and the negative electrode,
At least one of the positive electrode and the negative electrode has a laminate in which two or more electrode layers containing a catalyst are laminated,
The power generation element for a fuel cell, wherein the thickness of the electrode layer is 50 μm or less, and an adhesive layer is disposed between the electrode layers.
前記接着層が、プロトン伝導性を有する高分子材料を含む請求項1に記載の燃料電池用発電素子。   The power generation element for a fuel cell according to claim 1, wherein the adhesive layer includes a polymer material having proton conductivity. 前記電極層が、前記接着層に含まれる高分子材料と同種の高分子材料を含む請求項2に載の燃料電池用発電素子。   The power generation element for a fuel cell according to claim 2, wherein the electrode layer includes a polymer material of the same type as a polymer material included in the adhesive layer. 前記電極層に含まれる触媒の単位電極面積当たりの質量が、0.3〜3mg/cmである請求項1〜3のいずれかに記載の燃料電池用発電素子。 The mass per unit electrode area of the catalyst contained in the electrode layer, the fuel cell power generation device according to any one of claims 1 to 3 is 0.3 to 3 mg / cm 2. 前記接着層の厚さが、1〜5μmである請求項1〜4のいずれかに記載の燃料電池用発電素子。   The power generation element for a fuel cell according to claim 1, wherein a thickness of the adhesive layer is 1 to 5 μm. 前記積層体の総厚さが、30〜300μmである請求項1〜5のいずれかに記載の燃料電池用発電素子。   The power generation element for a fuel cell according to any one of claims 1 to 5, wherein the total thickness of the laminate is 30 to 300 µm. 酸素を還元する正極と、燃料を酸化する負極と、前記正極と前記負極との間に設けられた固体電解質とを備えた燃料電池用発電素子であって、
前記正極および負極の少なくとも一方が、触媒と、プロトン伝導性を有する高分子材料とを含む電極層を2層以上積層してなる積層体を有し、
前記電極層の厚さが、50μm以下であり、
前記高分子材料が、前記電極層の内部よりも界面部分に多く存在していることを特徴とする燃料電池用発電素子。
A fuel cell power generating element including a positive electrode for reducing oxygen, a negative electrode for oxidizing fuel, and a solid electrolyte provided between the positive electrode and the negative electrode,
At least one of the positive electrode and the negative electrode has a laminate formed by laminating two or more electrode layers containing a catalyst and a polymer material having proton conductivity,
The electrode layer has a thickness of 50 μm or less;
The power generation element for a fuel cell, wherein the polymer material is present more in the interface than in the electrode layer.
前記電極層に含まれる触媒の単位電極面積当たりの質量が、0.3〜3mg/cmである請求項7に記載の燃料電池用発電素子。 Mass per unit electrode area of the catalyst contained in the electrode layer, the power generating element for a fuel cell according to claim 7, which is 0.3 to 3 mg / cm 2. 前記積層体の総厚さが、30〜300μmである請求項7または8に記載の燃料電池用発電素子。   The power generation element for a fuel cell according to claim 7 or 8, wherein the total thickness of the laminate is 30 to 300 µm. 酸素を還元する正極と、燃料を酸化する負極と、前記正極と前記負極との間に設けられた固体電解質とを備えた燃料電池用発電素子であって、
前記正極および負極の少なくとも一方が、総厚さが60〜300μmであり、かつ、単位面積当たりに含まれる触媒の質量が0.3〜3mg/cmである電極よりなることを特徴とする燃料電池用発電素子。
A fuel cell power generating element including a positive electrode for reducing oxygen, a negative electrode for oxidizing fuel, and a solid electrolyte provided between the positive electrode and the negative electrode,
At least one of the positive electrode and the negative electrode is an electrode having a total thickness of 60 to 300 μm and a mass of a catalyst contained per unit area of 0.3 to 3 mg / cm 2. Power generation element for batteries.
酸素を還元する正極と、燃料を酸化する負極と、前記正極と前記負極との間に設けられた固体電解質とを備え、前記正極および負極の少なくとも一方が、触媒を含む電極層を2層以上積層した積層体であって当該電極層の間に接着層が配置された積層体を有する燃料電池用発電素子の製造方法であって、
離型性基板の上に接着層を配置する第1の工程と、
前記接着層の上に、触媒を含み、かつ厚さが50μm以下である電極層を配置する第2の工程と、
前記電極層と固体電解質とを接触させる第3の工程と、
前記電極層と前記固体電解質とを加熱しながら加圧して接着させる第4の工程と、
前記電極層と前記固体電解質とを接着させた後に前記離型性基板を剥離して前記接着層を表出させる第5の工程と、
前記表出した接着層の上に、触媒を含み、かつ厚さが50μm以下である他の電極層を配置する第6の工程と、
前記接着層と前記他の電極層とを加熱しながら加圧して接着させる第7の工程とを含むことを特徴とする燃料電池用発電素子の製造方法。
A positive electrode for reducing oxygen, a negative electrode for oxidizing fuel, and a solid electrolyte provided between the positive electrode and the negative electrode, wherein at least one of the positive electrode and the negative electrode has at least two electrode layers containing a catalyst. A method for producing a power generation element for a fuel cell, comprising a stacked body in which an adhesive layer is disposed between the electrode layers,
A first step of disposing an adhesive layer on the release substrate;
A second step of disposing an electrode layer containing a catalyst and having a thickness of 50 μm or less on the adhesive layer;
A third step of bringing the electrode layer into contact with a solid electrolyte;
A fourth step of bonding the electrode layer and the solid electrolyte by applying pressure while heating;
A fifth step of peeling the releasable substrate after bonding the electrode layer and the solid electrolyte to expose the adhesive layer,
A sixth step of disposing another electrode layer containing a catalyst and having a thickness of 50 μm or less on the exposed adhesive layer;
And a seventh step of applying pressure while heating the adhesive layer and the other electrode layer to bond the adhesive layer to the other electrode layer.
前記第5の工程と前記第6の工程との間に、
前記表出した接着層の上に、前記第1の工程と前記第2の工程とで別途形成した第2の電極層をさらに配置し、前記接着層と前記第2の電極層とを加熱しながら加圧して接着させた後、前記離型性基板を剥離して接着層を表出させる工程を1工程以上さらに含む請求項11に記載の燃料電池用発電素子の製造方法。
Between the fifth step and the sixth step,
A second electrode layer separately formed in the first step and the second step is further disposed on the exposed adhesive layer, and the adhesive layer and the second electrode layer are heated. The method for producing a power generating element for a fuel cell according to claim 11, further comprising at least one step of exfoliating the release substrate and exposing the adhesive layer after applying pressure while bonding.
酸素を還元する正極と、燃料を酸化する負極と、前記正極と前記負極との間に設けられた固体電解質とを備え、前記正極および負極の少なくとも一方が、触媒を含む電極層を2層以上積層した積層体であって当該電極層の間に接着層が配置された積層体を含んでなる燃料電池用発電素子の製造方法であって、
離型性基板の上に、触媒を含み、かつ厚さが50μm以下である電極層を配置する第1の工程と、
前記電極層と固体電解質とを接触させる第2の工程と、
前記電極層と前記固体電解質とを加熱しながら加圧して接着させる第3の工程と、
前記電極層と前記固体電解質とを接着させた後に前記離型性基板を剥離して前記電極層を表出させる第4の工程と、
前記表出した電極層の上に接着層を配置する第5の工程と、
前記接着層の上に、触媒を含み、かつ厚さが50μm以下である他の電極層を配置する第6の工程と、
前記接着層と前記他の電極層とを加熱しながら加圧して接着させる第7の工程とを含むことを特徴とする燃料電池用発電素子の製造方法。
A positive electrode for reducing oxygen, a negative electrode for oxidizing fuel, and a solid electrolyte provided between the positive electrode and the negative electrode, wherein at least one of the positive electrode and the negative electrode has at least two electrode layers containing a catalyst. A method for manufacturing a fuel cell power generating element, comprising a stacked body including a stacked body in which an adhesive layer is disposed between the electrode layers,
A first step of disposing an electrode layer containing a catalyst and having a thickness of 50 μm or less on a release substrate;
A second step of bringing the electrode layer into contact with a solid electrolyte;
A third step of bonding the electrode layer and the solid electrolyte by applying pressure while heating;
A fourth step of peeling the releasable substrate after bonding the electrode layer and the solid electrolyte to expose the electrode layer,
A fifth step of disposing an adhesive layer on the exposed electrode layer;
A sixth step of disposing another electrode layer containing a catalyst and having a thickness of 50 μm or less on the adhesive layer;
And a seventh step of applying pressure while heating the adhesive layer and the other electrode layer to bond the adhesive layer to the other electrode layer.
前記第5の工程と前記第6の工程との間に、
前記接着層の上に、前記第1の工程で別途形成した第2の電極層を配置し、前記接着層と前記第2の電極層とを加熱しながら加圧して接着した後、前記離型性基板を剥離して前記第2の電極層を表出させ、前記表出した第2の電極層の上に接着層をさらに配置する工程を1工程以上さらに含む請求項13に記載の燃料電池用発電素子の製造方法。
Between the fifth step and the sixth step,
A second electrode layer separately formed in the first step is arranged on the adhesive layer, and the adhesive layer and the second electrode layer are bonded by applying pressure while heating, and then the mold release is performed. 14. The fuel cell according to claim 13, further comprising one or more steps of exposing the conductive substrate to expose the second electrode layer, and further disposing an adhesive layer on the exposed second electrode layer. Of manufacturing power generation element for industrial use.
請求項1〜9のいずれかに記載の燃料電池用発電素子を用いたことを特徴とする燃料電池。   A fuel cell, comprising the fuel cell power generation element according to claim 1. 請求項10に記載の燃料電池用発電素子を用いたことを特徴とする燃料電池。
A fuel cell, comprising the fuel cell power generation element according to claim 10.
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Cited By (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2006092990A (en) * 2004-09-27 2006-04-06 Dainippon Printing Co Ltd Transfer sheet for manufacturing catalyst layer electrolyte film laminate, and manufacturing method therefor
JP2006344530A (en) * 2005-06-09 2006-12-21 Toyota Motor Corp Catalytic electrode layer, membrane-electrode assembly, and its manufacturing method
JP2007048701A (en) * 2005-08-12 2007-02-22 Dainippon Printing Co Ltd Transfer sheet, laminate of catalyst layer and electrolyte membrane, electrode electrolyte membrane assembly, and method of manufacturing them
JP2007073337A (en) * 2005-09-07 2007-03-22 Gs Yuasa Corporation:Kk Film/electrode assembly for direct methanol type fuel cell, and direct methanol type fuel cell using the same
WO2007034756A1 (en) * 2005-09-21 2007-03-29 Kabushiki Kaisha Toshiba Fuel cell
EP1800364A2 (en) * 2004-09-08 2007-06-27 Polyfuel Inc. Membrane and membrane electrode assembly with adhesion promotion layer
JP2007179961A (en) * 2005-12-28 2007-07-12 Toyota Motor Corp Catalyst for fuel cell electrode, manufacturing method of catalyst for fuel cell electrode, membrane-electrode assembly, and fuel cell
JP2008123941A (en) * 2006-11-15 2008-05-29 Sony Corp Polyelectrolyte membrane, catalytic electrode, membrane electrode assembly, their manufacturing methods and binder
JP2008529211A (en) * 2005-01-26 2008-07-31 インテリジェント エナジー リミテッド Multi-layer fuel cell diffuser
JP2008282645A (en) * 2007-05-10 2008-11-20 Toyota Motor Corp Membrane electrode assembly used for fuel cell and its manufacturing method
CN110661062A (en) * 2018-06-28 2020-01-07 宁德时代新能源科技股份有限公司 Metal-water-air battery

Cited By (16)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1800364A2 (en) * 2004-09-08 2007-06-27 Polyfuel Inc. Membrane and membrane electrode assembly with adhesion promotion layer
EP1800364A4 (en) * 2004-09-08 2009-12-02 Polyfuel Inc Membrane and membrane electrode assembly with adhesion promotion layer
JP2006092990A (en) * 2004-09-27 2006-04-06 Dainippon Printing Co Ltd Transfer sheet for manufacturing catalyst layer electrolyte film laminate, and manufacturing method therefor
JP2008529211A (en) * 2005-01-26 2008-07-31 インテリジェント エナジー リミテッド Multi-layer fuel cell diffuser
US8043767B2 (en) 2005-01-26 2011-10-25 Intelligent Energy Limited Multi-layer fuel cell diffuser
JP2006344530A (en) * 2005-06-09 2006-12-21 Toyota Motor Corp Catalytic electrode layer, membrane-electrode assembly, and its manufacturing method
JP2007048701A (en) * 2005-08-12 2007-02-22 Dainippon Printing Co Ltd Transfer sheet, laminate of catalyst layer and electrolyte membrane, electrode electrolyte membrane assembly, and method of manufacturing them
JP2007073337A (en) * 2005-09-07 2007-03-22 Gs Yuasa Corporation:Kk Film/electrode assembly for direct methanol type fuel cell, and direct methanol type fuel cell using the same
WO2007034756A1 (en) * 2005-09-21 2007-03-29 Kabushiki Kaisha Toshiba Fuel cell
JPWO2007034756A1 (en) * 2005-09-21 2009-03-26 株式会社東芝 Fuel cell
JP4688157B2 (en) * 2005-12-28 2011-05-25 トヨタ自動車株式会社 Method for producing catalyst for fuel cell electrode
JP2007179961A (en) * 2005-12-28 2007-07-12 Toyota Motor Corp Catalyst for fuel cell electrode, manufacturing method of catalyst for fuel cell electrode, membrane-electrode assembly, and fuel cell
JP2008123941A (en) * 2006-11-15 2008-05-29 Sony Corp Polyelectrolyte membrane, catalytic electrode, membrane electrode assembly, their manufacturing methods and binder
JP2008282645A (en) * 2007-05-10 2008-11-20 Toyota Motor Corp Membrane electrode assembly used for fuel cell and its manufacturing method
CN110661062A (en) * 2018-06-28 2020-01-07 宁德时代新能源科技股份有限公司 Metal-water-air battery
CN110661062B (en) * 2018-06-28 2021-04-30 宁德时代新能源科技股份有限公司 Metal-water-air battery

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