JP2005100679A - Gas diffusion electrode, its manufacturing method, and solid polymer fuel cell using this - Google Patents

Gas diffusion electrode, its manufacturing method, and solid polymer fuel cell using this Download PDF

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博己 戸塚
Mitsuhiro Negami
光弘 根上
Yoshifumi Takai
善文 高井
Takeshi Ishikawa
武史 石川
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a gas diffusion electrode for a solid polymer fuel cell in which a closing phenomenon caused by water hardly occurs even in a use for a long period and gas can be supplied stably, and a solid polymer fuel cell using the same. <P>SOLUTION: This gas diffusion electrode for the solid polymer fuel cell has carbon paper and a carbon layer that is formed on one side or both sides of the paper and is composed of carbon black and polytetrafluoroethylene. A thickness in which the carbon layer enters in the thickness direction of the carbon paper is in a range of 3-35 μm. This gas diffusion electrode can be manufactured by coating on one side or both sides of the carbon paper slurry in which carbon black particles and polytetrafluoroethylene particles having a number average particle size of 0.05-3 μm are dispersed in an alcohol system dispersion medium containing low boiling-point alcohol having a boiling point of 90°C or lower, and by calcining the coating layer. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

本発明は、固体高分子型燃料電池用のガス拡散電極、その作製方法及びこれを用いた固体高分子型燃料電池に関する。   The present invention relates to a gas diffusion electrode for a polymer electrolyte fuel cell, a production method thereof, and a polymer electrolyte fuel cell using the same.

燃料電池は、燃料と酸化剤とを連続的に供給し、これらが反応したときの化学エネルギーを電力として取り出す発電システムである。燃料電池は、これを用いる電解質の種類によって、動作温度が比較的低いアルカリ型、リン酸型、固体高分子型と、高温で動作する溶融炭酸塩型、固体酸化物電解質型とに大別される。   A fuel cell is a power generation system that continuously supplies fuel and an oxidant and extracts chemical energy as electric power when they react. Fuel cells are roughly classified into alkaline, phosphoric acid, and solid polymer types that operate at relatively low temperatures, and molten carbonate and solid oxide electrolyte types that operate at high temperatures, depending on the type of electrolyte that uses them. The

これらの中で、固体高分子型燃料電池は、固体高分子固体電解質として作用する隔膜の両面に触媒が担持されたガス拡散電極を接合し、一方のガス拡散電極が存在する側の室(燃料室)に燃料である水素を、他方のガス拡散電極が存在する側の室(酸化剤室)に酸化剤である酸素や空気等の酸素含有ガスをそれぞれ供給し、両ガス拡散電極間に外部負荷回路を接続することにより、燃料電池として作用させる。また、該固体高分子型燃料電池に用いられる燃料は、水素の他、メタノールやエタノール等のアルコールを直接燃料として用いる場合もある。固体高分子型燃料電池を構成する単セルの基本構造は、イオン伝導性のある電解質膜の両面に触媒層を配し、更にその外側の両面にガス拡散電極を配し、更にその外側の両面にセパレータを配するのが一般的である。燃料極側のセパレータにおけるガス流路を通ってガス拡散電極面に導かれた水素は、ガス拡散電極にて均一に拡散され、燃料極側の触媒層に導かれ、白金などの触媒によって水素が水素イオンと電荷に分離され、水素イオンは電解膜を通って、電解質を挟んで反対側の酸素極における触媒層に導かれる。一方、燃料極側にて発生した電荷は、負荷を有する回路を通って、酸素極側のガス拡散電極に導かれ、更に酸素極側の触媒層に導かれる。これと同時に、酸素極側のセパレータから導かれた酸素は、酸素極側のガス拡散電極を通って、酸素極側の触媒層に到達した上記の電荷及び水素イオンの存在下、水を生成し発電サイクルを完結する。上記の固体高分子型燃料電池に用いられるガス拡散電極の主な部材としてカーボンペーパーがあげられる。
ガス拡散電極に用いるカーボンペーパーの疎水・親水の程度は、燃料電池の設計上、非常に重要な設計要因であり、カーボンペーパーを親水性とする場合及び疎水性とする場合等、様々な場合がある。また、疎水・親水の程度は、ガス拡散電極の面方向で均一である必要がある。
Among these, the polymer electrolyte fuel cell has a gas diffusion electrode having a catalyst supported on both surfaces of a diaphragm acting as a solid polymer solid electrolyte, and a chamber (fuel) on the side where one gas diffusion electrode exists. Hydrogen as a fuel is supplied to the chamber), and an oxygen-containing gas such as oxygen or air as the oxidant is supplied to the chamber (oxidant chamber) where the other gas diffusion electrode is present. By connecting a load circuit, it acts as a fuel cell. In addition to hydrogen, alcohols such as methanol and ethanol may be used directly as fuel for the polymer electrolyte fuel cell. The basic structure of a single cell constituting a polymer electrolyte fuel cell is that a catalyst layer is arranged on both sides of an ion conductive electrolyte membrane, a gas diffusion electrode is arranged on both sides of the electrolyte membrane, and both sides of the outside are arranged. It is common to arrange a separator on the surface. The hydrogen introduced to the gas diffusion electrode surface through the gas flow path in the separator on the fuel electrode side is uniformly diffused by the gas diffusion electrode, is introduced to the catalyst layer on the fuel electrode side, and hydrogen is absorbed by a catalyst such as platinum. Hydrogen ions and charges are separated, and the hydrogen ions are guided to the catalyst layer in the oxygen electrode on the opposite side across the electrolyte through the electrolytic membrane. On the other hand, the electric charge generated on the fuel electrode side is led to a gas diffusion electrode on the oxygen electrode side through a circuit having a load, and further to a catalyst layer on the oxygen electrode side. At the same time, oxygen introduced from the separator on the oxygen electrode side generates water in the presence of the above charges and hydrogen ions that have reached the catalyst layer on the oxygen electrode side through the gas diffusion electrode on the oxygen electrode side. Complete the power generation cycle. Carbon paper is an example of the main member of the gas diffusion electrode used in the polymer electrolyte fuel cell.
The degree of hydrophobicity / hydrophilicity of the carbon paper used for the gas diffusion electrode is a very important design factor in the design of the fuel cell, and there are various cases such as when making the carbon paper hydrophilic or hydrophobic. is there. Further, the degree of hydrophobicity / hydrophilicity needs to be uniform in the surface direction of the gas diffusion electrode.

カーボンペーパーの疎水・親水の程度を調整する方法の一つとして、カーボンブラックのスラリーに用いる溶媒を選択する方法があげられる。例えば、特許文献1に記載の場合は、予め疎水化処理を施したカーボンペーパーの表面に、分散媒として水を用いたスラリーを塗工することによって、カーボン粒子がカーボンペーパー内に浸入することを防ぐ工夫がなされている。しかしながら、この方法は、カーボンペーパーの疎水化度にムラがある場合、カーボン粒子のカーボンペーパーへの浸入の程度に差が生じるという問題がある。また撥水剤を多めに用いた場合には、高負荷時の出力電圧が低くなる場合があり、好ましくない。これは、恐らく撥水剤によりカーボンペーパーの気孔径が細くなり、ガス供給が不足するためであると考えられる。   One method of adjusting the degree of hydrophobicity / hydrophilicity of carbon paper is to select a solvent to be used for the carbon black slurry. For example, in the case of Patent Document 1, by applying a slurry using water as a dispersion medium on the surface of carbon paper that has been previously hydrophobized, carbon particles may enter the carbon paper. There is a device to prevent it. However, this method has a problem that when the degree of hydrophobicity of the carbon paper is uneven, a difference occurs in the degree of penetration of the carbon particles into the carbon paper. In addition, when a large amount of water repellent is used, the output voltage at high load may be low, which is not preferable. This is presumably because the pore size of the carbon paper is reduced by the water repellent and the gas supply is insufficient.

この問題を解決するために、例えば、特許文献2及び特許文献3に記載の場合は、溶媒可溶型のフッ素樹脂を用いて、少量で均一な疎水性を付与する工夫がなされている。しかしながら、この方法では、カーボンペーパーの全体が疎水性となり、親水性表面が極めて少なくなることから、特に酸素極においては、水分の排出が困難になって水分過多となるという問題がある。また、カーボンブラック同士や、カーボンブラックとカーボンペーパーなどの接触部分の殆どが疎水化されるため、セルの抵抗率が上昇するという不具合が生じる場合がある。   In order to solve this problem, for example, in the case of Patent Document 2 and Patent Document 3, a device for imparting uniform hydrophobicity in a small amount is made using a solvent-soluble fluororesin. However, this method has a problem that the entire carbon paper becomes hydrophobic and the hydrophilic surface is extremely small, and therefore, particularly at the oxygen electrode, it becomes difficult to discharge moisture and excessive moisture. In addition, since most of the contact portions of carbon black and between carbon black and carbon paper are hydrophobized, there may be a problem that the resistivity of the cell increases.

上記のように、溶媒可溶型のフッ素樹脂を用いてカーボンペーパー全体を撥水処理する方法とは別に、例えばポリテトラフルオロエチレン等のフッ素系樹脂のディスパージョンを用い、フッ素樹脂粒子でカーボン繊維やカーボンブラック等の一部を撥水処理する方法が知られている。例えば、特許文献4や特許文献5には、ポリテトラフルオロエチレンの水分散液に、イソプロピルアルコールを添加し、カーボンペーパーを浸漬する方法が開示されている。しかしながら、この方法では、ポリテトラフルオロエチレンの水分散液にイソプロピルアルコールを添加することによって、ポリテトラフルオロエチレンの水分散液に含まれる懸濁安定剤の界面活性効果が低減し、ポリテトラフルオロエチレン粒子が凝集し、粗大化するという問題がある。その結果、カーボン繊維やカーボンブラックを局所的に撥水化することになるため、ガス供給や水の排出が不均一となり、燃料電池性能の点で好ましくない。   As described above, in addition to the method of water-repellent treatment of the entire carbon paper using a solvent-soluble fluororesin, for example, a fluororesin dispersion such as polytetrafluoroethylene is used, and fluorocarbon resin particles are used to form carbon fibers. There is known a method of subjecting a part of carbon black or the like to water repellent treatment. For example, Patent Document 4 and Patent Document 5 disclose a method in which isopropyl alcohol is added to an aqueous dispersion of polytetrafluoroethylene and carbon paper is immersed. However, in this method, by adding isopropyl alcohol to an aqueous dispersion of polytetrafluoroethylene, the surface active effect of the suspension stabilizer contained in the aqueous dispersion of polytetrafluoroethylene is reduced. There is a problem that the particles are aggregated and coarsened. As a result, carbon fibers and carbon black are locally water-repellent, so that gas supply and water discharge are non-uniform, which is not preferable in terms of fuel cell performance.

また、前記の特許文献5に記載の場合は、カーボンブラックをカーボンペーパーを構成するカーボン繊維層内に圧入しているが、この方法ではカーボンブラックが過密に充填されるため、ガス供給の経路が狭くなるという問題がある。その結果、高負荷時の運転状況において、ガス供給が不足し、出力電圧の低下を引き起こす場合があり、好ましくない。   Moreover, in the case of the above-mentioned patent document 5, carbon black is press-fitted into the carbon fiber layer constituting the carbon paper, but in this method, the carbon black is overfilled, so the gas supply path is There is a problem of narrowing. As a result, the gas supply is insufficient in an operating condition at a high load, which may cause a decrease in output voltage, which is not preferable.

ところで、ガス拡散電極の構造によって、カーボンペーパーに求められる疎水・親水の程度が異なってくる。例えば、特許文献5には、カーボンペーパーを構成するカーボン繊維層の表裏両面にそれぞれカーボンブラック層および触媒層を配した構造の電極が示されている。この構造の電極においては、カーボンペーパーのカーボン繊維層内に存在する空隙の上下ともにカーボンブラック層で覆われているため、カーボンペーパーが疎水化処理されていない場合には、水がカーボンペーパーの内部の空隙で凝縮しやすく、その結果、ガス供給を著しく妨げるという問題が生じる。そこで、この構造の電極においては、カーボンペーパーの内部を疎水化することによって前記の水による閉塞現象が発生し難いものにしている。つまり、この構造の電極では、カーボンペーパーの疎水化処理が必須要件となっている。一方、カーボンペーパーの片面だけにカーボン中間層を配する構造は一般化しつつあるが、この構造の電極では、カーボンペーパーのカーボン繊維層内に存在する空隙の上下いずれか一方は、カーボンブラック層により覆われていないため、上記の水による閉塞が発生し難くなり、カーボンペーパーは必ずしも疎水化処理されなくても良い場合がある。以上のように、電極の構造によってカーボンペーパーに要求される疎水・親水の程度は異なるのが実情である。   By the way, the degree of hydrophobicity / hydrophilicity required for carbon paper varies depending on the structure of the gas diffusion electrode. For example, Patent Document 5 discloses an electrode having a structure in which a carbon black layer and a catalyst layer are arranged on both front and back surfaces of a carbon fiber layer constituting carbon paper. In the electrode of this structure, the upper and lower sides of the voids present in the carbon fiber layer of the carbon paper are covered with the carbon black layer. Therefore, when the carbon paper is not hydrophobized, water is contained inside the carbon paper. As a result, there is a problem that the gas supply is remarkably hindered. Therefore, in the electrode of this structure, the inside of the carbon paper is hydrophobized so that the water blocking phenomenon does not easily occur. That is, in the electrode of this structure, the hydrophobic treatment of carbon paper is an essential requirement. On the other hand, the structure in which the carbon intermediate layer is disposed only on one side of the carbon paper is becoming more common. However, in the electrode of this structure, either the upper or lower part of the void existing in the carbon fiber layer of the carbon paper is caused by the carbon black layer. Since it is not covered, clogging with the water is difficult to occur, and the carbon paper may not necessarily be subjected to a hydrophobic treatment. As described above, the actual situation is that the degree of hydrophobicity and hydrophilicity required for carbon paper varies depending on the structure of the electrode.

しかしながら、従来、カーボンペーパーの作製に際して、使用するスラリーの性状が疎水・親水の程度とは必ずしも十分に適合してはいなかった。例えばカーボンペーパーの疎水性が強い場合に、水だけを分散媒としたスラリーを塗工した場合は、カーボンペーパーへのスラリーの濡れ性が部分的に悪くなるために、スラリーを部分的にはじく結果、カーボンブラック層の厚さムラを生じる場合がある。一方、親水性のカーボンペーパーに同様のスラリーを塗工した場合には、カーボンブラックはカーボンペーパー内へ容易かつランダムに浸入するために、カーボンブラック層には部分的な陥没孔や微小クラックを生じる等の問題が生じ、不均一となる場合がある。   However, conventionally, when producing carbon paper, the properties of the slurry to be used have not always been sufficiently adapted to the degree of hydrophobicity / hydrophilicity. For example, when the hydrophobicity of carbon paper is strong, if a slurry containing only water as a dispersion medium is applied, the wettability of the slurry to the carbon paper is partially deteriorated. The thickness of the carbon black layer may be uneven. On the other hand, when similar slurry is applied to hydrophilic carbon paper, carbon black easily and randomly penetrates into the carbon paper, resulting in partial depressions and microcracks in the carbon black layer. Such a problem may occur and become non-uniform.

また、特許文献6には、カーボンペーパーの表裏両面に疎水性層を配置し、そのいずれか一方に、カーボン粒子を含む接触層を有する構造の電極が提案されている。この電極の接触層は、いわゆるカーボン中間層と目されるが、このガス拡散電極の構造においては、接触層がカーボンペーパーに隣接していなく、カーボン中間層のカーボン繊維へのアンカー効果による定着性の向上が期待できない。また、本発明者らの検討によれば、上記の疎水性層がカーボンペーパーの表裏両面に配されることによって、むしろカーボンペーパー内部における生成水の閉塞現象が発生する場合があり、必ずしも好ましい構成とはいえない。
特開平10−261421号公報 特開2001−351637号公報 特開平9−259893号公報 特開2001−236976号公報 特開2001−160406号公報 特開2002−117865号公報
Patent Document 6 proposes an electrode having a structure in which hydrophobic layers are arranged on both front and back surfaces of carbon paper, and a contact layer containing carbon particles is provided on either side. The contact layer of this electrode is regarded as a so-called carbon intermediate layer, but in the structure of this gas diffusion electrode, the contact layer is not adjacent to the carbon paper, and the fixing property is due to the anchor effect of the carbon intermediate layer to the carbon fiber. Improvement cannot be expected. Further, according to the study by the present inventors, the hydrophobic layer is disposed on both the front and back surfaces of the carbon paper, so that a clogging phenomenon of generated water inside the carbon paper may occur, which is not necessarily a preferable configuration. That's not true.
JP-A-10-261421 JP 2001-351537 A JP-A-9-259893 JP 2001-236976 A JP 2001-160406 A JP 2002-117865 A

本発明は、従来の技術における上記のような問題を解決することを目的としてなされたものである。すなわち、本発明の目的は、長期使用においても水による閉塞現象が発生し難く、ガスを安定して供給できる固体高分子型燃料電池用のガス拡散電極及びそれを用いた固体高分子型燃料電池を提供することにある。本発明の他の目的は、カーボンペーパーの疎水・親水の程度等、その表面状態の如何にかかわらず、均一でムラのないカーボン中間層を配することができる固体高分子型燃料電池用のガス拡散電極の作製方法を提供することにある。   The present invention has been made for the purpose of solving the above-described problems in the prior art. That is, an object of the present invention is to provide a gas diffusion electrode for a polymer electrolyte fuel cell that is less likely to be clogged with water even during long-term use and can stably supply gas, and a polymer electrolyte fuel cell using the same. Is to provide. Another object of the present invention is to provide a gas for a polymer electrolyte fuel cell capable of providing a uniform and uniform carbon intermediate layer regardless of the surface state, such as the degree of hydrophobicity / hydrophilicity of carbon paper. The object is to provide a method for manufacturing a diffusion electrode.

本発明者は、固体高分子型燃料電池用のガス拡散電極において、カーボンペーパーの厚さ方向に、3〜35μmの範囲でカーボン層が入り込むことによって、均一な表面平滑性が得られることを見出し、本発明を完成するに至った。   The present inventor has found that in a gas diffusion electrode for a polymer electrolyte fuel cell, uniform surface smoothness can be obtained by entering a carbon layer in the range of 3 to 35 μm in the thickness direction of the carbon paper. The present invention has been completed.

したがって、本発明の固体高分子型燃料電池用のガス拡散電極は、カーボンペーパーと、その片面または両面に形成されたカーボンブラック及びポリテトラフルオロエチレンからなるカーボン層とを有するものであって、カーボンペーパーの厚さ方向にカーボン層が入り込む厚さ(以下、内部厚みと略す)が3〜35μmであることを特徴とする。   Therefore, the gas diffusion electrode for a polymer electrolyte fuel cell of the present invention has carbon paper and a carbon layer made of carbon black and polytetrafluoroethylene formed on one side or both sides thereof, The thickness of the carbon layer entering the paper in the thickness direction (hereinafter abbreviated as internal thickness) is 3 to 35 μm.

本発明の上記の固体高分子型燃料電池用ガス拡散電極は、カーボンペーパーの片面または両面に、少なくとも沸点90℃以下の低沸点アルコールを含有するアルコール系分散媒中に個数平均粒子径0.05〜3μmの範囲のカーボンブラック粒子及びポリテトラフルオロエチレン粒子が分散したスラリーを塗工し、塗工層をか焼することによって作製することができる。   The gas diffusion electrode for a polymer electrolyte fuel cell according to the present invention has a number average particle size of 0.05 in an alcohol-based dispersion medium containing a low-boiling alcohol having a boiling point of 90 ° C. or lower on one or both surfaces of carbon paper. It can be produced by coating a slurry in which carbon black particles and polytetrafluoroethylene particles in a range of ˜3 μm are dispersed, and calcining the coating layer.

また、本発明の固体高分子型燃料電池は、上記のガス拡散電極のカーボン層に触媒層を担持させたものを、それぞれ燃料極及び酸素極とし、イオン交換膜の両面に設けたことを特徴とする。   Further, the polymer electrolyte fuel cell of the present invention is characterized in that the catalyst layer is supported on the carbon layer of the gas diffusion electrode as a fuel electrode and an oxygen electrode, respectively, provided on both surfaces of the ion exchange membrane. And

本発明のガス拡散電極の作製方法は、上記の構成を有するから、カーボンペーパーの疎水・親水に関係なく、カーボンペーパーに、ガス供給性が良好であり、かつ均一なカーボン層が配されたガス拡散電極を作製することができる。したがって、本発明のガス拡散電極は、長期の連続使用においても水による閉塞現象が発生し難く、ガスを安定して供給できるという優れた効果を生じる。更には、このガス拡散電極を用いることによって、触媒の部分的な劣化が極めて少ない安定した発電性能を有する固体高分子型燃料電池を作製することができる。   Since the gas diffusion electrode manufacturing method of the present invention has the above-described configuration, regardless of the hydrophobicity / hydrophilicity of the carbon paper, the gas has good gas supply properties and a gas in which a uniform carbon layer is arranged. A diffusion electrode can be produced. Therefore, the gas diffusion electrode of the present invention is less likely to be clogged with water even during long-term continuous use, and produces an excellent effect that gas can be stably supplied. Furthermore, by using this gas diffusion electrode, it is possible to produce a polymer electrolyte fuel cell having stable power generation performance with extremely little partial deterioration of the catalyst.

本発明の固体高分子型燃料電池用のガス拡散電極において、カーボンペーパーの片面または両面に形成するカーボン層は、カーボンブラック及びポリテトラフルオロエチレンから構成されるが、カーボンペーパーの表面のカーボン層の膜厚は、10〜100μmの範囲が好ましく、また、カーボンペーパーの厚さ方向にカーボン層が入り込む厚さ(以下、「内部厚み」と略す)は3〜35μmの範囲にあることが必要である。内部厚みを3〜35μmの範囲内とすることにより、均一な表面平滑性が得られる。その理由は必ずしも明らかではないが、カーボンブラック及びポリテトラフルオロエチレンの粒子が、カーボンペーパーの被塗工面におけるカーボン繊維間の空隙を埋めることにより、スラリーのカーボンペーパー内部方向への沈みこみを抑制することが可能になり、その結果、カーボン層の表面における凹凸の発生が極力抑えられるものと考えられる。また、内部厚みを上記の範囲内に調整することにより、カーボン層の陥没孔や微小なクラックの発生も抑えられるが、これらの欠点が発生しない理由も上記と同様の理由によると考えられる。また、別の効果として、カーボン層の内部厚みが上記の範囲内にある場合には、カーボンペーパーのカーボン繊維へのアンカー効果が発現されることにより、カーボン層のカーボンペーパーに対する定着性が良好になる。一方、内部厚みが35μmを越す場合には、カーボン繊維層内に侵入するカーボンブラック粒子が過多となり、ガスの供給性が悪くなる。特に、高負荷時におけるガス供給性が悪くなって電圧が低下するので好ましくない。一方、内部厚みが3μm未満の場合は、カーボン層のカーボンペーパーに対するアンカー効果が期待できないため、カーボン層のカーボンペーパーに対する定着性が低下するので望ましくない。   In the gas diffusion electrode for a polymer electrolyte fuel cell of the present invention, the carbon layer formed on one side or both sides of the carbon paper is composed of carbon black and polytetrafluoroethylene. The film thickness is preferably in the range of 10 to 100 μm, and the thickness (hereinafter referred to as “internal thickness”) that the carbon layer enters in the thickness direction of the carbon paper needs to be in the range of 3 to 35 μm. . By setting the internal thickness within the range of 3 to 35 μm, uniform surface smoothness can be obtained. The reason is not necessarily clear, but the particles of carbon black and polytetrafluoroethylene suppress the sinking of the slurry into the carbon paper inside by filling the gaps between the carbon fibers on the coated surface of the carbon paper. As a result, it is considered that the occurrence of unevenness on the surface of the carbon layer is suppressed as much as possible. In addition, by adjusting the internal thickness within the above range, the occurrence of recessed holes and minute cracks in the carbon layer can be suppressed, but the reason why these defects do not occur is also considered to be due to the same reason as described above. As another effect, when the internal thickness of the carbon layer is within the above range, the anchoring effect of the carbon paper to the carbon fiber is expressed, so that the fixing property of the carbon layer to the carbon paper is improved. Become. On the other hand, when the internal thickness exceeds 35 μm, the carbon black particles invading into the carbon fiber layer become excessive, and the gas supply performance deteriorates. In particular, it is not preferable because the gas supply performance at high load deteriorates and the voltage decreases. On the other hand, when the internal thickness is less than 3 μm, the anchor effect of the carbon layer on the carbon paper cannot be expected.

本発明において、カーボンペーパーは、ポリテトラフルオロエチレンで疎水化処理したカーボンペーパーであるのが好ましい。その場合、ポリテトラフルオロエチレンの含浸量は20重量%以下であることが好ましい。ポリテトラフルオロエチレンの含浸量が20重量%を越える場合には、酸素極側における生成水の排出が悪くなり、特に生成水が液状で存在する低温作動域において、燃料電池性能に悪影響を与える場合がある。   In the present invention, the carbon paper is preferably carbon paper hydrophobized with polytetrafluoroethylene. In that case, the impregnation amount of polytetrafluoroethylene is preferably 20% by weight or less. When the amount of polytetrafluoroethylene impregnation exceeds 20% by weight, the discharge of generated water on the oxygen electrode side becomes worse, particularly in the low temperature operating region where the generated water exists in liquid form, which adversely affects fuel cell performance. There is.

本発明における上記のカーボン層は、カーボンブラック粒子及びポリテトラフルオロエチレン粒子が分散されたスラリーを用いて形成される。その場合、スラリーに含まれるカーボンブラック及びポリテトラフルオロエチレンは、それらの個数平均粒子径が0.05〜3μmの範囲にあることが好ましい。より好ましくは、0.1〜3μmの範囲であり、特に0.2〜3μmの範囲であることが好ましい。これらの個数平均粒子径が3μmを超す場合は、カーボンブラックのカーボン繊維内への浸透は少ないものの、カーボン層の表面粗さが粗大となり、触媒層との密着性が低下し、界面における電気抵抗が上昇する等の不具合が生じる。一方、0.05μm未満の場合は、カーボンブラックが分散媒とともにカーボンペーパー内に浸透しやすくなり、浸透した多量のカーボンブラックが、カーボンペーパーの目詰まりを引き起こし、ガス供給性に問題が生じる。   The carbon layer in the present invention is formed using a slurry in which carbon black particles and polytetrafluoroethylene particles are dispersed. In that case, the carbon black and polytetrafluoroethylene contained in the slurry preferably have a number average particle diameter in the range of 0.05 to 3 μm. More preferably, it is the range of 0.1-3 micrometers, and it is especially preferable that it is the range of 0.2-3 micrometers. When these number average particle diameters exceed 3 μm, the carbon black has little penetration into the carbon fiber, but the surface roughness of the carbon layer becomes coarse, the adhesion with the catalyst layer decreases, and the electrical resistance at the interface decreases. Inconveniences such as rising. On the other hand, when the thickness is less than 0.05 μm, carbon black easily penetrates into the carbon paper together with the dispersion medium, and the large amount of carbon black that has penetrated causes clogging of the carbon paper, resulting in a problem in gas supply properties.

本発明において、スラリーの分散媒としては、沸点90℃以下のアルコールを含有するアルコール系分散媒が用いられる。本発明において、アルコール系分散媒を用いるのは次の理由による。すなわち、スラリーの分散媒として水のみを用いた場合、カーボンブラックの水への濡れ性が良好ではなく、そのため、例えばTriton(デュポン社製)などの界面活性剤を用いる必要がある。また、小粒子径かつ比表面積が大きいカーボンブラックをスラリー化する場合、水中にカーボンブラックを一定の粒子径に分散するためには、過大な機械的ストレスを加える必要がある。この際、界面活性剤が混在すると泡が生じやすくなり、塗布液性状として好ましくないという問題がある。したがって、本発明では、スラリーの分散媒として、カーボンブラックへの濡れ性が良好なアルコール系溶媒が使用される。   In the present invention, an alcohol-based dispersion medium containing an alcohol having a boiling point of 90 ° C. or lower is used as the slurry dispersion medium. In the present invention, the alcohol-based dispersion medium is used for the following reason. That is, when only water is used as the dispersion medium of the slurry, the wettability of carbon black to water is not good, and therefore a surfactant such as Triton (manufactured by DuPont) needs to be used. In addition, when carbon black having a small particle size and a large specific surface area is made into a slurry, it is necessary to apply excessive mechanical stress in order to disperse the carbon black in water at a constant particle size. At this time, if the surfactant is mixed, bubbles are likely to be generated, which is not preferable as a coating liquid property. Therefore, in the present invention, an alcohol solvent having good wettability to carbon black is used as the dispersion medium of the slurry.

また、本発明において、アルコール系分散媒用のアルコールとしては、沸点が90℃以下の、例えば、メタノール、エタノール、プロパノール等のアルコールが使用される。沸点が90℃より高いアルコールを用いた場合は、スラリーの粘度が過大となり、塗工性が悪くなるために望ましくない。   Moreover, in this invention, alcohol, such as methanol, ethanol, propanol, etc. whose boiling point is 90 degrees C or less is used as alcohol for alcohol-type dispersion media. When an alcohol having a boiling point higher than 90 ° C. is used, the viscosity of the slurry becomes excessive and the coating property is deteriorated, which is not desirable.

本発明においては、沸点が90℃以下のアルコールを含むアルコール系分散媒を用いるから、分散のために過大なストレスを加えなくても、アプリケーター等のロール塗工に適した滑らかなスラリーを得ることができる。このようなアルコール系分散媒は、前記のようにカーボンブラックをよく濡らすために、分散のために過大な機械的ストレスを要せず、したがって、カーボンブラックのスラリー中における分散粒子径を比較的大きくすることができる。その結果、カーボン層内の空隙が大きくなり、ガス供給や水による閉塞が抑制される。また、沸点が90℃以下のアルコールを用いることにより、塗工におけるカーボンブラックからの溶媒脱離性が良好となり、短時間で均一なカーボン層を得ることが可能になる。   In the present invention, since an alcohol-based dispersion medium containing an alcohol having a boiling point of 90 ° C. or less is used, a smooth slurry suitable for roll coating such as an applicator can be obtained without applying excessive stress for dispersion. Can do. Such an alcohol-based dispersion medium does not require excessive mechanical stress for dispersion in order to wet carbon black well as described above. Therefore, the dispersed particle size in the slurry of carbon black is relatively large. can do. As a result, voids in the carbon layer are increased, and blockage due to gas supply and water is suppressed. Further, by using an alcohol having a boiling point of 90 ° C. or less, the solvent detachability from carbon black in coating becomes good, and a uniform carbon layer can be obtained in a short time.

上記のアルコール系分散媒は、イオン水と上記アルコールとの重量混合比が、水:アルコール=5:95〜95:5、特に5:95〜50:50の範囲にあるのが好ましい。水の混合比率が95%よりも多い場合、カーボンブラック粒子の溶媒への濡れ性が低下し、カーボンブラック粒子同士が凝集しやすくなり、その結果、スラリーがチクソトロピック状となり、塗工が困難になる場合がある。一方、アルコールの混合比率が95%よりも多くなると、ポリテトラフルオロエチレン粒子同士の凝集塊が大きくなりすぎるため、疎水化部分の局在化が生じ、燃料電池特性上好ましくない。   The alcohol-based dispersion medium preferably has a weight mixing ratio of ionic water and the alcohol in the range of water: alcohol = 5: 95 to 95: 5, particularly 5:95 to 50:50. When the water mixing ratio is more than 95%, the wettability of the carbon black particles to the solvent decreases, and the carbon black particles tend to aggregate with each other. As a result, the slurry becomes thixotropic, making coating difficult. There is a case. On the other hand, when the mixing ratio of the alcohol is more than 95%, the aggregates of the polytetrafluoroethylene particles become too large, and thus the hydrophobic portion is localized, which is not preferable in terms of fuel cell characteristics.

本発明では、カーボンブラックの凝集をアルコールで抑制しつつ、水を併用することによりポリテトラフルオロエチレンの凝集も抑制している。ポリテトラフルオロエチレンは、アルコールの混合比が多くなると凝集塊が大きくなる傾向があるが、水とアルコールの混合比が上記の範囲において、ポリテトラフルオロエチレンとカーボンブラックを上記範囲の粒径の凝集塊に調整することにより、カーボンペーパーの疎水・親水の程度に関係なく、スラリーのカーボンペーパーへの浸入を適度に調整することが可能になる。   In the present invention, aggregation of polytetrafluoroethylene is also suppressed by using water in combination while suppressing aggregation of carbon black with alcohol. Polytetrafluoroethylene tends to increase in agglomerates when the mixing ratio of alcohol increases, but when the mixing ratio of water and alcohol is in the above range, polytetrafluoroethylene and carbon black are aggregated with a particle size in the above range. By adjusting to a lump, it is possible to appropriately adjust the penetration of the slurry into the carbon paper regardless of the degree of hydrophobicity / hydrophilicity of the carbon paper.

本発明におけるスラリーの調整方法は、沸点が90℃以下のアルコールとイオン交換水とを上記の範囲で混合して混合溶媒を調製し、次に得られた混合溶媒に規定量のカーボンブラックを投入する。その際、混合溶媒を攪拌しつつ、できる限り少量ずつカーボンブラックを投入するのが好ましく、それにより、カーボンブラックの大きな凝集塊の発生を抑えることができる。上記の操作で、混合溶媒にカーボンブラックを全量投入した後、更に攪拌を続ける。次に、ポリテトラフルオロエチレンの水分散液を加えてさらに撹拌する。カーボンブラックの比表面積が200m2/g以上と大きく、かつ、カーボンブラックの投入量が多い場合は、比較的強い機械的ストレスを与えることが望ましい。このような比較的強い機械的ストレスを与えられる攪拌装置としては、ボールミル、アトライター、ペイントシェーカー(レッドデビル社製)などのメディアを使用した分散装置、二軸ローラー、ローターとステーター間の微小間隙を通過させることにより被分散液を微細化する分散装置等が好ましく使用できる。このローター・ステーター型の分散装置としては、例えばホモミキサー(特殊機化工業社製)があげられる。一方、カーボンブラックの比表面積が200m2/g以下の場合は、以上のような強い機械的ストレスを加える必要はなく、例えば、ディスパーやアジター等の羽根型攪拌装置を用いることができる。以上、例示したスラリーを作るための分散装置は、必ずしもこれらに限定されるものではない。得られたスラリーは、次いで、塗工面の凹凸を極力抑える目的で、50〜70μm以上の粗大な凝集塊を適当なメッシュサイズのフルイを用いて除去するのが望ましい。 In the method for preparing a slurry in the present invention, a mixed solvent is prepared by mixing alcohol having a boiling point of 90 ° C. or less and ion-exchanged water in the above range, and then a specified amount of carbon black is added to the obtained mixed solvent. To do. At that time, it is preferable to add carbon black as little as possible while stirring the mixed solvent, whereby generation of large aggregates of carbon black can be suppressed. After the entire amount of carbon black is added to the mixed solvent by the above operation, stirring is further continued. Next, an aqueous dispersion of polytetrafluoroethylene is added and further stirred. When the specific surface area of carbon black is as large as 200 m 2 / g or more and the input amount of carbon black is large, it is desirable to apply a relatively strong mechanical stress. Examples of such a stirring device that can be applied with relatively strong mechanical stress include a dispersing device using a medium such as a ball mill, an attritor, and a paint shaker (manufactured by Red Devil), a biaxial roller, and a minute gap between the rotor and the stator. A dispersion apparatus or the like that makes the dispersion liquid finer by passing the liquid can be preferably used. Examples of the rotor-stator type dispersion device include a homomixer (manufactured by Tokushu Kika Kogyo Co., Ltd.). On the other hand, when the specific surface area of carbon black is 200 m 2 / g or less, it is not necessary to apply the strong mechanical stress as described above, and for example, a blade-type stirring device such as a disper or an agitator can be used. As described above, the dispersing apparatus for making the exemplified slurry is not necessarily limited to these. Next, it is desirable to remove coarse agglomerates of 50 to 70 μm or more using a sieve having an appropriate mesh size for the purpose of suppressing the unevenness of the coated surface as much as possible.

スラリーのカーボンペーパーへの塗工は、市販されている各種の塗工装置を用いて行うことができる。塗工方式としては、ロール塗工、スプレー塗工、バー塗工、ブレード塗工、スクリーン印刷、グラビア印刷等が使用できるが、カーボンペーパーの表面粗さによって、塗工装置は適宜選択する必要がある。カーボンペーパー表面の凹部と凸部の差が最大で20μmを超す場合は、ロール塗工など、表面平滑性が得やすい、いわゆる平坦化コーターの使用が望ましく、20μm以下の場合は、塗工方式の選択の自由度は高くなり、例えばダイヘッド等を用いた、いわゆる輪郭コーターなど、塗工量の定量化が図れるコーターを用いることができる。以上例示した塗工装置はあくまでも例示のためであり、必ずしもこれらに限定されるものではない。   The slurry can be applied to the carbon paper using various commercially available coating apparatuses. As the coating method, roll coating, spray coating, bar coating, blade coating, screen printing, gravure printing, etc. can be used, but it is necessary to select an appropriate coating device depending on the surface roughness of the carbon paper. is there. When the difference between the concave and convex portions on the surface of the carbon paper exceeds 20 μm at the maximum, it is desirable to use a so-called flattening coater that is easy to obtain surface smoothness such as roll coating. When the difference is 20 μm or less, the coating method The degree of freedom of selection increases, and for example, a coater that can quantify the coating amount, such as a so-called contour coater using a die head or the like, can be used. The coating apparatus illustrated above is for illustration only, and is not necessarily limited thereto.

以上の操作で得られた塗工物を、30〜80℃の温度に設定した乾燥器に投入し、3〜24時間の範囲で乾燥する。乾燥風量は適宜決めればよいが、急激な乾燥は、表面の微小クラックを誘発する場合があるので望ましくない。乾燥後の塗工物は、焼成炉または高温型の乾燥機に投入し、300℃にて5〜20分間加熱して界面活性剤を分解除去した後、380℃にて5〜20分間か焼して、ポリテトラフルオロエチレンを溶融し、カーボンブラック同士、及び、カーボンブラックとカーボン繊維を結着させる。それによりガス拡散電極が作製される。   The coated product obtained by the above operation is put into a drier set at a temperature of 30 to 80 ° C. and dried in a range of 3 to 24 hours. The amount of drying air may be determined as appropriate, but rapid drying is undesirable because it may induce micro cracks on the surface. The coated product after drying is put into a baking furnace or a high-temperature dryer, heated at 300 ° C. for 5 to 20 minutes to decompose and remove the surfactant, and then calcined at 380 ° C. for 5 to 20 minutes. Then, the polytetrafluoroethylene is melted, and the carbon blacks and the carbon black and the carbon fibers are bound. Thereby, a gas diffusion electrode is produced.

本発明の固体高分子型燃料電池は、上記のガス拡散電極のカーボン層の上に触媒層を形成したものを燃料極及び酸素極として用い、その触媒層面がフッ素系イオン交換膜に接触するように配し、膜・電極接合体とした構造を有している。   In the polymer electrolyte fuel cell of the present invention, a catalyst layer formed on the carbon layer of the gas diffusion electrode is used as a fuel electrode and an oxygen electrode, and the catalyst layer surface is in contact with the fluorine-based ion exchange membrane. And has a structure as a membrane / electrode assembly.

以下、実施例及び比較例に基づいて本発明を更に詳細に説明する。ただし、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。
実施例1
以下の手順によってカーボンブラックとポリテトラフルオロエチレンを固形分とするスラリーを調製した。すなわち、カーボンブラック(VALCAN XC72B、キャボット社製)10gを、イソプロピルアルコール(沸点82.4℃)175gとイオン交換水173gからなる分散媒に添加し、ペイントシェーカー(レッドデビル社製)にて30分間攪拌した。次に、ポリテトラフルオロエチレンのディスパージョン(30J、三井デュポンフロロケミカル社製)をポリテトラフルオロエチレンの実重量が3gとなるように上記のスラリーに添加し、次に1リットルのポリ容器を用いて、ボールミルにより30分間100rmにて回転攪拌した。この混合液における水とアルコールの重量比は、水:アルコール=50:50となった。次に、得られたスラリーを200メッシュのフルイを通してスラリーから粗大な凝集塊を取り除き、塗布液(塗料1)を得た。この塗料1に含まれる固形分(カーボンブラック及びポリテトラフルオロエチレン)の粒子径をコールターカウンターTA−2(コールターカウンター社製)で測定したところ、個数平均粒子径は1.2μmであった。次に、塗料1を疎水化処理を施していない厚さ270μmのカーボンペーパー(TGP−H−090、東レ社製)に対して、均一にスプレー噴霧により塗布し、60℃で30分間静置乾燥した。その後、380℃のオーブンにて10分間静置してガス拡散電極を得た。このガス拡散電極の厚さをマイクロメーターで測定したところ、290μmであった。塗工前のカーボンペーパーは厚さ270μmであったから、カーボンペーパー上に20μmの厚さでカーボン層が存在していることが確認された。このガス拡散電極の断面を電子顕微鏡にて観察したところ、カーボンペーパーの表面から15μmの深さまでカーボン層が存在していることが確認された。また、それより下層にはカーボンブラックは混入していないことが確認された。また、このガス拡散電極の表面を顕微鏡にて観察したところ、形成されたカーボン層には陥没孔や微小クラックは観察されず、均一な表面を有していることが確認された。
Hereinafter, the present invention will be described in more detail based on examples and comparative examples. However, the present invention is not limited to these examples.
Example 1
A slurry having carbon black and polytetrafluoroethylene as solid contents was prepared by the following procedure. That is, 10 g of carbon black (VALCAN XC72B, manufactured by Cabot) was added to a dispersion medium composed of 175 g of isopropyl alcohol (boiling point 82.4 ° C.) and 173 g of ion-exchanged water, and 30 minutes with a paint shaker (manufactured by Red Devil). Stir. Next, a dispersion of polytetrafluoroethylene (30J, manufactured by Mitsui DuPont Fluorochemical Co., Ltd.) is added to the slurry so that the actual weight of polytetrafluoroethylene is 3 g, and then a 1 liter poly container is used. Then, the mixture was rotated and stirred at 100 rm for 30 minutes by a ball mill. The weight ratio of water to alcohol in this mixed solution was water: alcohol = 50: 50. Next, the obtained slurry was passed through a 200 mesh sieve to remove coarse agglomerates from the slurry to obtain a coating liquid (paint 1). When the particle size of the solid content (carbon black and polytetrafluoroethylene) contained in this paint 1 was measured with Coulter Counter TA-2 (manufactured by Coulter Counter), the number average particle size was 1.2 μm. Next, the paint 1 is applied by spraying uniformly to carbon paper (TGP-H-090, manufactured by Toray Industries, Inc.) having a thickness of 270 μm that has not been subjected to a hydrophobization treatment, and then allowed to dry at 60 ° C. for 30 minutes. did. Then, it left still for 10 minutes in 380 degreeC oven, and obtained the gas diffusion electrode. When the thickness of this gas diffusion electrode was measured with a micrometer, it was 290 μm. Since the carbon paper before coating was 270 μm in thickness, it was confirmed that a carbon layer was present on the carbon paper with a thickness of 20 μm. When the cross section of the gas diffusion electrode was observed with an electron microscope, it was confirmed that a carbon layer was present from the surface of the carbon paper to a depth of 15 μm. Further, it was confirmed that no carbon black was mixed in the lower layer. Further, when the surface of the gas diffusion electrode was observed with a microscope, it was confirmed that the formed carbon layer had a uniform surface without any depressions or microcracks being observed.

実施例2
実施例1で用いた塗料1を用いて、スプレーによる塗工量を多くしたほかは、実施例1と同様の方法によってガス拡散電極を得た。それにより厚さ270μmのカーボンペーパー上に30μm厚さでカーボン層が存在していることが確認された。得られたガス拡散電極の断面を電子顕微鏡にて観察したところ、カーボンペーパーの表面から20μmの深さまでカーボン層が存在していることが確認された。また、それより下層にはカーボンブラックは混入していないことが確認された。また、このガス拡散電極の表面を顕微鏡にて観察したところ、形成されたカーボン層には陥没孔や微小クラックは観察されず、均一な表面を有していることが確認された。
Example 2
A gas diffusion electrode was obtained in the same manner as in Example 1 except that the coating amount used by spraying was increased using the coating material 1 used in Example 1. As a result, it was confirmed that a carbon layer having a thickness of 30 μm was present on a carbon paper having a thickness of 270 μm. When the cross section of the obtained gas diffusion electrode was observed with an electron microscope, it was confirmed that a carbon layer was present from the surface of the carbon paper to a depth of 20 μm. Further, it was confirmed that no carbon black was mixed in the lower layer. Further, when the surface of the gas diffusion electrode was observed with a microscope, it was confirmed that the formed carbon layer had a uniform surface without any depressions or microcracks being observed.

実施例3
実施例1の塗布液の調製において、イソプロピルアルコールを20g、イオン交換水を328gとした以外は、実施例1と同様にして塗布液(塗料2)を調製し、同様に処理してガス拡散電極を得た。ここで用いた塗料2は、水:アルコール=94.3:5.7(重量比)であった。この塗料2に含まれる固形分(カーボンブラックとポリテトラフルオロエチレン)の粒子径をコールターカウンターTA−2(コールターカウンター社製)で測定したところ、個数平均粒子径は2.7μmであった。得られたガス拡散電極には、厚さ270μmのカーボンペーパー上に25μmの厚さでカーボン層が存在していることが確認された。電子顕微鏡の断面観察によれば、カーボン層は約5μmの深さでカーボンペーパーの表面内に存在していることが確認された。また、それより下層にはカーボンブラックが混入していないことが確認された。また、このガス拡散電極の表面を顕微鏡にて観察したところ、形成されたカーボン層には陥没孔や微小クラックは観察されず、均一な表面を有していることが確認された。
Example 3
A coating solution (paint 2) was prepared in the same manner as in Example 1 except that 20 g of isopropyl alcohol and 328 g of ion-exchanged water were used in the preparation of the coating solution of Example 1, and the gas diffusion electrode was processed in the same manner. Got. The paint 2 used here was water: alcohol = 94.3: 5.7 (weight ratio). When the particle size of the solid content (carbon black and polytetrafluoroethylene) contained in the paint 2 was measured with Coulter Counter TA-2 (manufactured by Coulter Counter), the number average particle size was 2.7 μm. It was confirmed that the obtained gas diffusion electrode had a carbon layer having a thickness of 25 μm on a carbon paper having a thickness of 270 μm. According to cross-sectional observation with an electron microscope, it was confirmed that the carbon layer was present in the surface of the carbon paper at a depth of about 5 μm. Further, it was confirmed that no carbon black was mixed in the lower layer. Further, when the surface of the gas diffusion electrode was observed with a microscope, it was confirmed that the formed carbon layer had a uniform surface without any depressions or microcracks being observed.

実施例4
実施例1の塗布液の調製において、アルコールの量を320g、イオン交換水の量を28gとした以外は、実施例1と同様にして塗布液(塗料3)を調製し、同様に処理してガス拡散電極を得た。ここで用いた塗料3は、水:アルコール=8.6:91.4(重量比)であった。この塗料3に含まれる固形分(カーボンブラックとポリテトラフルオロエチレン)の粒子径をコールターカウンターTA−2(コールターカウンター社製)で測定したところ、個数平均粒子径は0.2μmであった。得られたガス拡散電極には、厚さ270μmのカーボンペーパー上に15μmの厚さでカーボン層が存在していることが確認された。カーボンペーパー上のカーボン層だけを剥離・除去した後に、電子顕微鏡でカーボンペーパー内に入り込んだカーボン層を断面観察したところ、カーボン層は約27μmの深さでカーボンペーパーの表面内に存在していることが確認された。また、それより下層にはカーボンブラックが混入していないことが確認された。また、このガス拡散電極の表面を顕微鏡にて観察したところ、形成されたカーボン層には陥没孔や微小クラックは観察されず、均一な表面を有していることが確認された。
Example 4
In the preparation of the coating liquid of Example 1, a coating liquid (paint 3) was prepared in the same manner as in Example 1 except that the amount of alcohol was 320 g and the amount of ion-exchanged water was 28 g. A gas diffusion electrode was obtained. The coating material 3 used here was water: alcohol = 8.6: 91.4 (weight ratio). When the particle size of the solid content (carbon black and polytetrafluoroethylene) contained in the paint 3 was measured with Coulter Counter TA-2 (manufactured by Coulter Counter), the number average particle size was 0.2 μm. It was confirmed that the obtained gas diffusion electrode had a carbon layer having a thickness of 15 μm on a carbon paper having a thickness of 270 μm. After peeling and removing only the carbon layer on the carbon paper, a cross-sectional observation of the carbon layer that entered the carbon paper with an electron microscope revealed that the carbon layer was present in the surface of the carbon paper at a depth of about 27 μm. It was confirmed. Further, it was confirmed that no carbon black was mixed in the lower layer. Further, when the surface of the gas diffusion electrode was observed with a microscope, it was confirmed that the formed carbon layer had a uniform surface without any depressions or microcracks being observed.

実施例5
実施例1の塗布液を用いて、スプレーの代わりにアプリケーターにて塗工を実施した。アプリケーターのギャップは500μmに調整した。他の操作は実施例1と同様にして、ガス拡散電極を得た。得られたガス拡散電極には、カーボンペーパー上に20μmの厚さでカーボン層が存在していることが確認された。電子顕微鏡の断面観察によれば、カーボン層は33μmの深さでカーボンペーパーの表面内に存在していることが確認された。また、それより下層にはカーボンブラックが混入していないことが確認された。また、このガス拡散電極の表面を顕微鏡にて観察したところ、形成されたカーボン層には陥没孔や微小クラックは観察されず、均一な表面を有していることが確認された。
Example 5
Using the coating solution of Example 1, coating was performed with an applicator instead of spraying. The gap of the applicator was adjusted to 500 μm. Other operations were performed in the same manner as in Example 1 to obtain a gas diffusion electrode. In the obtained gas diffusion electrode, it was confirmed that a carbon layer was present with a thickness of 20 μm on carbon paper. According to cross-sectional observation with an electron microscope, it was confirmed that the carbon layer was present in the surface of the carbon paper at a depth of 33 μm. Further, it was confirmed that no carbon black was mixed in the lower layer. Further, when the surface of the gas diffusion electrode was observed with a microscope, it was confirmed that the formed carbon layer had a uniform surface without any depressions or microcracks being observed.

実施例6
実施例1で用いたカーボンペーパーを、ポリテトラフルオロエチレンの含有率が1重量%のディスパージョンに含浸した後、80℃で3時間乾燥し、続いて380℃のオーブンに10分間静置して、カーボンペーパーに疎水化処理を施した。得られた疎水化カーボンペーパーには、未処理のカーボンペーパーとの重量比から1.2重量%のポリテトラフルオロエチレンが存在していることが確認された。この疎水化カーボンペーパーを用いて、実施例1と同様にして、ガス拡散電極を得た。得られたガス拡散電極には、カーボンペーパー上に20μmの厚さでカーボン層が存在していることが確認された。電子顕微鏡の断面観察によれば、カーボン層は19μmの深さでカーボンペーパーの表面内に存在することが確認された。また、それより下層にはカーボンブラックが混入していないことが確認された。また、このガス拡散電極の表面を顕微鏡にて観察したところ、形成されたカーボン層には陥没孔や微小クラックは観察されず、均一な表面を有していることが確認された。
Example 6
The carbon paper used in Example 1 was impregnated with a dispersion having a polytetrafluoroethylene content of 1% by weight, dried at 80 ° C. for 3 hours, and then allowed to stand in an oven at 380 ° C. for 10 minutes. The carbon paper was hydrophobized. It was confirmed that 1.2% by weight of polytetrafluoroethylene was present in the obtained hydrophobic carbon paper from the weight ratio with respect to the untreated carbon paper. Using this hydrophobic carbon paper, a gas diffusion electrode was obtained in the same manner as in Example 1. In the obtained gas diffusion electrode, it was confirmed that a carbon layer was present with a thickness of 20 μm on carbon paper. According to cross-sectional observation with an electron microscope, it was confirmed that the carbon layer was present in the surface of the carbon paper at a depth of 19 μm. Further, it was confirmed that no carbon black was mixed in the lower layer. Further, when the surface of the gas diffusion electrode was observed with a microscope, it was confirmed that the formed carbon layer had a uniform surface without any depressions or microcracks being observed.

実施例7
実施例1で用いたカーボンペーパーを、ポリテトラフルオロエチレンの含有率が15重量%のディスパージョンに含浸した後、80℃で3時間乾燥し、続いて380℃のオーブンに10分間静置して、カーボンペーパーに疎水化処理を施した。得られた疎水化カーボンペーパーには、未処理のカーボンペーパーとの重量比から18.2重量%のポリテトラフルオロエチレンが存在していることが確認された。この疎水化カーボンペーパーを用いて、実施例1と同様にして、ガス拡散電極を得た。得られたガス拡散電極には、カーボンペーパー上に23μmの厚さでカーボン層が存在していることが確認された。電子顕微鏡の断面観察によれば、カーボン層は10μmの深さでカーボンペーパーの表面内に存在していることが確認された。また、それより下層にはカーボンブラックが混入していないことが確認された。また、このガス拡散電極の表面を顕微鏡にて観察したところ、形成されたカーボン層には陥没孔や微小クラックは観察されず、均一な表面を有していることが確認された。
Example 7
The carbon paper used in Example 1 was impregnated with a dispersion having a polytetrafluoroethylene content of 15% by weight, dried at 80 ° C. for 3 hours, and then allowed to stand in an oven at 380 ° C. for 10 minutes. The carbon paper was hydrophobized. The obtained hydrophobized carbon paper was confirmed to contain 18.2% by weight of polytetrafluoroethylene based on the weight ratio with respect to the untreated carbon paper. Using this hydrophobic carbon paper, a gas diffusion electrode was obtained in the same manner as in Example 1. The obtained gas diffusion electrode was confirmed to have a carbon layer having a thickness of 23 μm on the carbon paper. According to cross-sectional observation with an electron microscope, it was confirmed that the carbon layer was present in the surface of the carbon paper at a depth of 10 μm. Further, it was confirmed that no carbon black was mixed in the lower layer. Further, when the surface of the gas diffusion electrode was observed with a microscope, it was confirmed that the formed carbon layer had a uniform surface without any depressions or microcracks being observed.

比較例1
実施例1において、スプレー噴霧による塗布に換えてスクリーン印刷法を用いた以外は、実施例1と同様にして比較例1のガス拡散電極を作製した。得られたガス拡散電極には、カーボンペーパー上に10μmの厚さでカーボン層が存在していることが確認された。電子顕微鏡の断面観察によれば、カーボン層は51μmの深さでカーボンペーパーの表面内に存在することが確認された。またカーボン層の表面を顕微鏡にて観察したところ、スクリーンメッシュによりカーボン層の上層部が剥離し、表面状態が不均一となっていることが確認された。
Comparative Example 1
In Example 1, a gas diffusion electrode of Comparative Example 1 was produced in the same manner as in Example 1 except that the screen printing method was used instead of the spray spray application. The obtained gas diffusion electrode was confirmed to have a carbon layer having a thickness of 10 μm on the carbon paper. According to cross-sectional observation with an electron microscope, it was confirmed that the carbon layer was present in the surface of the carbon paper at a depth of 51 μm. Further, when the surface of the carbon layer was observed with a microscope, it was confirmed that the upper layer portion of the carbon layer was peeled off by the screen mesh and the surface state was non-uniform.

比較例2
実施例1の塗布液の調製において、アルコールの量を348g、イオン交換水の量は不使用とした以外は、実施例1と同様にして塗布液(塗料4)を調製し、同様に処理してガス拡散電極を得た。ここで用いた塗料4にはポリテトラフルオロエチレンのディスパージョンに含まれる水が混入するため、水:アルコール=0.6:99.4(重量比)であった。この塗料4に含まれる固形分(カーボンブラックとポリテトラフルオロエチレン)の粒子径をコールターカウンターTA−2(コールターカウンター社製)で測定したところ、個数平均粒子径は0.03μmであった。得られたガス拡散電極には、カーボンペーパー上に7μmの厚さでカーボン層が存在していることが確認された。電子顕微鏡の断面観察によれば、カーボン層はカーボンペーパーの表面内に65μmの深さまで存在し、さらにその下層においてもカーボンブラックがランダムに存在することが確認された。
Comparative Example 2
In the preparation of the coating liquid of Example 1, a coating liquid (paint 4) was prepared and treated in the same manner as in Example 1 except that the amount of alcohol was 348 g and the amount of ion-exchanged water was not used. Thus, a gas diffusion electrode was obtained. Since the water contained in the polytetrafluoroethylene dispersion was mixed in the coating material 4 used here, the ratio of water: alcohol was 0.6: 99.4 (weight ratio). When the particle size of the solid content (carbon black and polytetrafluoroethylene) contained in the paint 4 was measured by Coulter Counter TA-2 (manufactured by Coulter Counter), the number average particle size was 0.03 μm. In the obtained gas diffusion electrode, it was confirmed that a carbon layer was present on the carbon paper with a thickness of 7 μm. According to cross-sectional observation by an electron microscope, it was confirmed that the carbon layer was present up to a depth of 65 μm in the surface of the carbon paper, and that carbon black was also randomly present in the lower layer.

比較例3
実施例1の塗布液の調製において、アルコールを用いずイオン交換水を348gとした以外は、実施例1と同様にして塗布液(塗料5)を調製し、同様に処理してガス拡散電極を得た。ここで用いた塗料5の分散媒は水100%であった。この塗料5に含まれる固形分(カーボンブラックとポリテトラフルオロエチレン)の粒子径をコールターカウンターTA−2(コールターカウンター社製)で測定したところ、個数平均粒子径は3.5μmであった。得られたガス拡散電極には、カーボンペーパー上に40μmの厚さでカーボン層が存在していることが確認された。電子顕微鏡の断面観察によれば、カーボン層はカーボンペーパーの表面内に50μmの深さまで存在することが確認された。このガス拡散電極の表面を顕微鏡観察したところ、約30〜40μmのカーボンの凝集塊が所々存在し、表面状態が不均一であることが確認された。
Comparative Example 3
In the preparation of the coating liquid of Example 1, a coating liquid (paint 5) was prepared in the same manner as in Example 1 except that alcohol was not used and ion-exchanged water was changed to 348 g. Obtained. The dispersion medium of the paint 5 used here was 100% water. When the particle size of the solid content (carbon black and polytetrafluoroethylene) contained in this paint 5 was measured with Coulter Counter TA-2 (manufactured by Coulter Counter), the number average particle size was 3.5 μm. In the obtained gas diffusion electrode, it was confirmed that a carbon layer was present on the carbon paper with a thickness of 40 μm. According to cross-sectional observation with an electron microscope, it was confirmed that the carbon layer was present up to a depth of 50 μm in the surface of the carbon paper. When the surface of this gas diffusion electrode was observed with a microscope, it was confirmed that there were some carbon agglomerates of about 30 to 40 μm in some places and the surface state was non-uniform.

比較例4
実施例1で用いたカーボンペーパーを、ポリテトラフルオロエチレンの含有率が25重量%のディスパージョンに含浸した後、80℃で3時間乾燥し、続いて380℃のオーブンに10分間静置して、カーボンペーパーに疎水化処理を施した。得られた疎水化カーボンペーパーには、未処理のカーボンペーパーとの重量比から29.3重量%のポリテトラフルオロエチレンが存在していることが確認された。その他の操作は実施例1と同様にして、ガス拡散電極を得た。カーボンペーパー上には22μmの厚さでカーボン層が存在していることが確認された。電子顕微鏡の断面観察によれば、カーボン層はカーボンペーパーの表面内に48μmの深さまで存在することが確認された。
Comparative Example 4
The carbon paper used in Example 1 was impregnated with a dispersion having a polytetrafluoroethylene content of 25% by weight, then dried at 80 ° C. for 3 hours, and then allowed to stand in an oven at 380 ° C. for 10 minutes. The carbon paper was hydrophobized. It was confirmed that 29.3% by weight of polytetrafluoroethylene was present in the obtained hydrophobic carbon paper from the weight ratio with respect to the untreated carbon paper. Other operations were performed in the same manner as in Example 1 to obtain a gas diffusion electrode. It was confirmed that a carbon layer having a thickness of 22 μm was present on the carbon paper. According to cross-sectional observation with an electron microscope, it was confirmed that the carbon layer was present up to a depth of 48 μm in the surface of the carbon paper.

比較例5
実施例1で用いたイソプロピルアルコールに換えて、イソブタノール(沸点107℃)を用いた以外は、実施例1と同様にしてガス拡散電極を得た。得られたガス拡散電極のカーボンペーパー上には23μmの厚さでカーボン層が存在していることが確認された。電子顕微鏡の断面観察によれば、カーボン層はカーボンペーパーの表面内に48μmの深さまで存在することが確認された。また、顕微鏡で表面を観察したところ、微小なクラックが発生しており、表面状態が不均一であることが確認された。
Comparative Example 5
A gas diffusion electrode was obtained in the same manner as in Example 1 except that isobutanol (boiling point 107 ° C.) was used instead of isopropyl alcohol used in Example 1. It was confirmed that a carbon layer having a thickness of 23 μm was present on the carbon paper of the obtained gas diffusion electrode. According to cross-sectional observation with an electron microscope, it was confirmed that the carbon layer was present up to a depth of 48 μm in the surface of the carbon paper. Further, when the surface was observed with a microscope, it was confirmed that minute cracks were generated and the surface state was uneven.

比較例6
実施例1において、スプレー塗工量を低減して、ガス拡散電極を得た。得られたガス拡散電極のカーボンペーパー上には9μmの厚さでカーボン層が存在していることが確認された。電子顕微鏡の断面観察によれば、カーボン層はカーボンペーパーの表面内に1μmの深さで存在することが確認された。顕微鏡で表面を観察したところ、カーボン層の陥没孔が多数発生しており、表面状態が不均一であることが確認された。このガス拡散電極は、カーボン層がカーボンペーパーから剥がれやすく、燃料電池としての特性評価が不可能であった。
Comparative Example 6
In Example 1, the gas diffusion electrode was obtained by reducing the spray coating amount. It was confirmed that a carbon layer having a thickness of 9 μm was present on the carbon paper of the obtained gas diffusion electrode. According to cross-sectional observation with an electron microscope, it was confirmed that the carbon layer was present at a depth of 1 μm in the surface of the carbon paper. When the surface was observed with a microscope, it was confirmed that many recessed holes in the carbon layer were generated and the surface state was uneven. In this gas diffusion electrode, the carbon layer was easily peeled off from the carbon paper, and the characteristic evaluation as a fuel cell was impossible.

上記の実施例及び比較例のガス拡散電極を用いて以下の方法で固体高分子型燃料電池を作製し、特性の評価を行った。カーボンブラック(ケッチンEC、ライオンアクゾ社製)80重量%に白金20重量%を担持した触媒10重量部と酢酸ブチル90重量部とを混合し、超音波洗浄機にて10分間分散した。得られた分散液100重量部に対して、更に水及びエチルアルコールの混合溶媒にパーフルオロスルホン酸樹脂(Nafion、デュポン社製)5重量%を溶解した溶液200重量部と、テトラフルオロエチレンのディスパージョン(30J 三井デュポンフロロケミカル社製)5重量部とを添加して混合し、更に超音波洗浄機で30分間分散処理して、触媒インクを得た。得られた触媒インクを、実施例及び比較例のガス拡散電極のカーボン層の上に白金量が0.8mg/cm2となるように塗布し、乾燥した。以上の処理を施して触媒層を形成した実施例及び比較例のガス拡散電極2枚を、それぞれ燃料極及び酸素極とし、その触媒層面がイオン交換膜(DuPont社製、Nafion117)に接触するように配し、熱圧プレス(140℃)にて接合して電極と膜の接合体を作製した。なお、電極面積は25cm2とした。この電極と膜の接合体をセルに組み込んで単セルとした。 Using the gas diffusion electrodes of the above Examples and Comparative Examples, polymer electrolyte fuel cells were produced by the following method and the characteristics were evaluated. 10 parts by weight of a catalyst supporting 20% by weight of platinum and 90 parts by weight of butyl acetate were mixed with 80% by weight of carbon black (Ketchin EC, manufactured by Lion Akzo) and dispersed by an ultrasonic cleaner for 10 minutes. With respect to 100 parts by weight of the obtained dispersion, 200 parts by weight of a solution obtained by dissolving 5% by weight of perfluorosulfonic acid resin (Nafion, manufactured by DuPont) in a mixed solvent of water and ethyl alcohol, and a tetrafluoroethylene disperser John (30J, Mitsui DuPont Fluoro Chemical Co., Ltd.) 5 parts by weight was added and mixed, and further dispersed with an ultrasonic cleaner for 30 minutes to obtain a catalyst ink. The obtained catalyst ink was applied on the carbon layers of the gas diffusion electrodes of Examples and Comparative Examples so that the amount of platinum was 0.8 mg / cm 2 and dried. The two gas diffusion electrodes of the example and the comparative example in which the catalyst layer is formed by performing the above-described treatment are used as a fuel electrode and an oxygen electrode, respectively, so that the catalyst layer surface is in contact with an ion exchange membrane (Nafion 117 manufactured by DuPont). And bonded with a hot press (140 ° C.) to prepare an electrode / membrane assembly. The electrode area was 25 cm 2 . This electrode / membrane assembly was incorporated into a cell to form a single cell.

各セルへの供給ガスとして、水素及び酸素を用いた。供給ガスはいずれもバブリングにて加湿し、加圧した上で、安定作動領域において運転した。電流密度が1A/cm2における電圧を調べた結果を表1に示す。

Figure 2005100679
Hydrogen and oxygen were used as the supply gas to each cell. All the supply gases were humidified by bubbling and pressurized, and then operated in the stable operation region. Table 1 shows the results of examining the voltage at a current density of 1 A / cm 2 .
Figure 2005100679

表1の結果から明らかなように、本発明の実施例1〜7のガス拡散電極は、いずれも連続運転時における電圧低下が少ない。これは、実施例1〜7のガス拡散電極がいずれも高いガス透過性と均一な表面性状を合わせもっているからと考えられる。これに対して、比較例1〜5の場合は、連続運転時における電圧低下が大きく、また、比較例3の場合を除いて初期性能が低下している。比較例1の場合は、カーボン層がカーボンペーパー内にスクリーン印刷のスキージにより深く密に圧入されたために、カーボンブラック間及びカーボンブラックとカーボン繊維間の空隙が少なく、ガス供給性が悪化したことにより初期の電圧が低くなったと考えられる。また生成水による閉塞が発生しやすく電圧の低下が実施例の場合と比べて大きくなったと考えられる。また、表面状態が実施例の場合に比べて悪いことも、触媒の部分的な劣化を引き起こす要因と考えられる。比較例2の場合は、カーボンの分散粒子径が小さいために、カーボンペーパーのカーボン繊維間にカーボンブラックが過多に、かつ深く浸入したため、ガス供給性が悪くなり、また、生成水による閉塞が起きやすく、初期及び長期の性能が低下したと考えられる。比較例3の場合は、カーボンブラックの分散粒子径が大きいために、初期におけるガス供給性は比較的良好であったが、表面性が不均一であるため、触媒の部分的な劣化が進行しやすく、長期使用での電圧低下が顕著になったものと考えられる。比較例4のガス拡散電極においては、ポリテトラフルオロエチレンのカーボンペーパーへの含浸量が過多であり、ポリテトラフルオロエチレンによるカーボンペーパー内の多孔質繊維層が閉塞状態に近くなったため、ガス供給性が悪化し、初期及び長期の性能が低下したと考えられる。但し、カーボンペーパーの疎水性が良好であることから、水による閉塞現象は観察されず、電圧は低い値で安定して推移することになった。
以上、比較例1〜5の場合に共通する現象として、塗料がカーボンペーパー内に深くまで浸入したことにより、ガス供給性が低下し、初期性能が低下したと考えられ、更には、発電時間の増加に伴い、生成水の燃料電池セル系外への排出能が低下し、長時間運転での電圧低下が起きたと考えられる。
As is clear from the results in Table 1, all of the gas diffusion electrodes of Examples 1 to 7 of the present invention have a small voltage drop during continuous operation. This is considered because the gas diffusion electrodes of Examples 1 to 7 have both high gas permeability and uniform surface properties. On the other hand, in the case of Comparative Examples 1 to 5, the voltage drop during the continuous operation is large, and the initial performance is lowered except in the case of Comparative Example 3. In the case of Comparative Example 1, since the carbon layer was pressed deeply and densely into the carbon paper by the screen printing squeegee, the gap between the carbon black and between the carbon black and the carbon fiber was small, and the gas supply performance was deteriorated. It is thought that the initial voltage was lowered. Moreover, it is considered that the generated water is easily clogged, and the voltage drop is larger than that in the example. Further, the fact that the surface condition is worse than in the case of the example is considered to be a factor causing partial deterioration of the catalyst. In the case of Comparative Example 2, since the dispersed particle diameter of carbon is small, carbon black is excessively and deeply infiltrated between the carbon fibers of the carbon paper, so that the gas supply performance is deteriorated and clogging with generated water occurs. It is easy to think that the initial and long-term performances were degraded. In the case of Comparative Example 3, since the dispersed particle size of the carbon black was large, the gas supply property at the initial stage was relatively good, but the surface property was non-uniform, so that the partial deterioration of the catalyst progressed. It is easy to assume that the voltage drop during long-term use became prominent. In the gas diffusion electrode of Comparative Example 4, since the amount of polytetrafluoroethylene impregnated in the carbon paper was excessive, and the porous fiber layer in the carbon paper with polytetrafluoroethylene became close to the closed state, the gas supply property It seems that the initial and long-term performance deteriorated. However, since the hydrophobicity of the carbon paper was good, no clogging phenomenon due to water was observed, and the voltage was stable at a low value.
As described above, as a phenomenon common to the cases of Comparative Examples 1 to 5, it is considered that the gas supply performance is lowered and the initial performance is lowered due to the paint penetrating deeply into the carbon paper. With the increase, it is considered that the ability to discharge generated water to the outside of the fuel cell system decreased, and the voltage decreased during long-time operation.

Claims (6)

カーボンペーパーと、その片面または両面に形成されたカーボンブラック及びポリテトラフルオロエチレンからなるカーボン層とを有する固体高分子型燃料電池用ガス拡散電極において、該カーボンペーパーの厚さ方向に該カーボン層が入り込む厚さが3〜35μmの範囲にあることを特徴とする固体高分子型燃料電池用ガス拡散電極。 In a gas diffusion electrode for a polymer electrolyte fuel cell having carbon paper and a carbon layer made of carbon black and polytetrafluoroethylene formed on one or both surfaces thereof, the carbon layer is disposed in the thickness direction of the carbon paper. A gas diffusion electrode for a polymer electrolyte fuel cell, wherein the thickness of the gas diffusion electrode is in the range of 3 to 35 μm. カーボンペーパーが、含浸量20重量%以下のポリテトラフルオロエチレンを含む疎水化処理カーボンペーパーであることを特徴とする請求項1記載の固体高分子型燃料電池用ガス拡散電極。 2. The gas diffusion electrode for a polymer electrolyte fuel cell according to claim 1, wherein the carbon paper is a hydrophobized carbon paper containing polytetrafluoroethylene having an impregnation amount of 20% by weight or less. カーボンペーパーの片面または両面に、沸点90℃以下の低沸点アルコールを含有するアルコール系分散媒中に個数平均粒子径0.05〜3μmの範囲のカーボンブラック粒子及びポリテトラフルオロエチレン粒子が分散したスラリーを塗工し、塗工層をか焼することを特徴とする請求項1の固体高分子型燃料電池用ガス拡散電極の作製方法。 A slurry in which carbon black particles and polytetrafluoroethylene particles having a number average particle diameter of 0.05 to 3 μm are dispersed in one or both surfaces of carbon paper in an alcohol-based dispersion medium containing a low-boiling point alcohol having a boiling point of 90 ° C. or less. The method for producing a gas diffusion electrode for a polymer electrolyte fuel cell according to claim 1, wherein the coating layer is calcined. アルコール系分散媒が、イオン交換水と沸点90℃以下のアルコールとの混合物であることを特徴とする請求項3記載の固体高分子型燃料電池用ガス拡散電極の作製方法。 The method for producing a gas diffusion electrode for a polymer electrolyte fuel cell according to claim 3, wherein the alcohol-based dispersion medium is a mixture of ion-exchanged water and an alcohol having a boiling point of 90 ° C or lower. イオン交換水と沸点90℃以下のアルコールとの重量混合比が5:95〜95:5であることを特徴とする請求項4記載の固体高分子型燃料電池用ガス拡散電極の作製方法。 5. The method for producing a gas diffusion electrode for a polymer electrolyte fuel cell according to claim 4, wherein the weight mixing ratio of the ion-exchanged water and the alcohol having a boiling point of 90 ° C. or less is 5:95 to 95: 5. イオン交換膜の両面にそれぞれ燃料極及び酸素極を設けた固体高分子型燃料電池において、該燃料極及び酸素極が、カーボンペーパー及びその片面または両面に形成されたカーボンブラック及びポリテトラフルオロエチレンからなるカーボン層を有するガス拡散電極と、該カーボン層上に設けた触媒層とよりなるものであって、該カーボンペーパーの厚さ方向へ該カーボン層が入り込む厚さが3〜35μmの範囲にあることを特徴とする固体高分子型燃料電池。 In the polymer electrolyte fuel cell in which the fuel electrode and the oxygen electrode are respectively provided on both surfaces of the ion exchange membrane, the fuel electrode and the oxygen electrode are made of carbon paper and carbon black and polytetrafluoroethylene formed on one or both surfaces thereof. A gas diffusion electrode having a carbon layer and a catalyst layer provided on the carbon layer, the thickness of the carbon layer entering in the thickness direction of the carbon paper is in the range of 3 to 35 μm. A polymer electrolyte fuel cell characterized by the above.
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