JP2005149745A - Gas diffusion electrode for fuel cell and its manufacturing method - Google Patents

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Kazunori Yamaguchi
和徳 山口
Hiromi Totsuka
博己 戸塚
Hitohide Sugiyama
仁英 杉山
Masanori Takahata
正則 高畑
Katsumi Mogi
克己 茂木
Osamu Tsuda
統 津田
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a gas diffusion electrode for a fuel cell having high conductivity, and to provide its manufacturing method. <P>SOLUTION: This gas diffusion electrode for a fuel cell is characterized by being formed of a non-woven fabric containing a carbon fiber. This manufacturing method of the gas diffusion electrode for a fuel cell is characterized by comprising: a process 1 for preparing diffusion slurry containing a carbon fiber as an essential constituent and containing an organic polymer and/or an inorganic material as an arbitrary constituent; a process 2 for dehydrating the diffusion slurry; and a process 3 for drying the diffusion slurry dehydrated in the process 2. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

本発明は、固体高分子電解質型燃料電池の電極材料に好適に用いられる燃料電池用ガス拡散電極およびその製造方法に関する。   The present invention relates to a gas diffusion electrode for a fuel cell suitably used as an electrode material for a solid polymer electrolyte fuel cell and a method for producing 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。そして、燃料電池は、用いられ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区別される。   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 classified into alkaline, phosphoric acid, and solid polymer types that operate at relatively low temperatures, and molten carbonate types and solid oxide electrolyte types that operate at high temperatures, depending on the type of electrolyte used. The

固体高分子型燃料電池を構成する単セルの基本構造は、例えば、図1に示すように、イオン伝導性を有し、両面に触媒層11a,11bが配された電解質膜12と、電解質膜12の外側の両面に配されたガス拡散電極13a,13bと、ガス拡散電極13a,13bの外側の両面に配されたセパレータ14a,14bとを有するものである。   As shown in FIG. 1, for example, the basic structure of a single cell constituting a solid polymer fuel cell is an electrolyte membrane 12 having ion conductivity and having catalyst layers 11a and 11b disposed on both sides, and an electrolyte membrane. 12 has gas diffusion electrodes 13a and 13b disposed on both outer surfaces of the gas separator 12, and separators 14a and 14b disposed on both surfaces of the gas diffusion electrodes 13a and 13b.

このような固体高分子型燃料電池では、まず、燃料極側のセパレータ14aに供給された水素がセパレータ14a内のガス流路を通ってガス拡散電極13a面に導かれる。次いで、その水素は、ガス拡散電極13aにて均一に拡散された後に、燃料極側の触媒層11aに導かれ、白金などの触媒によって水素イオンと電子とに分離される。そして、水素イオンは電解質膜12を通って電解質膜12を挟んで反対側の酸素極における触媒層11bに導かれる。一方、燃料極側にて発生した電子は、負荷15を有する回路16を通って、酸素極側のガス拡散電極13bに導かれ、更には酸素極側の触媒層11bに導かれる。これと同時に、酸素極側のセパレータ14bから導かれた酸素は、酸素極側のガス拡散電極13bを通って、酸素極側の触媒層11bに到達する。そして、酸素、電子、水素イオンとから水を生成して発電サイクルを完結する。
なお、固体高分子型燃料電池に用いられる燃料としては水素以外に、メタノールやエタノールなどのアルコールを直接燃料として用いることもできる。
In such a polymer electrolyte fuel cell, first, hydrogen supplied to the separator 14a on the fuel electrode side is guided to the surface of the gas diffusion electrode 13a through the gas flow path in the separator 14a. Next, the hydrogen is uniformly diffused by the gas diffusion electrode 13a, and then introduced to the catalyst layer 11a on the fuel electrode side, where it is separated into hydrogen ions and electrons by a catalyst such as platinum. Then, the hydrogen ions are guided through the electrolyte membrane 12 to the catalyst layer 11b in the oxygen electrode on the opposite side across the electrolyte membrane 12. On the other hand, the electrons generated on the fuel electrode side are guided to the gas diffusion electrode 13b on the oxygen electrode side through the circuit 16 having the load 15, and further to the catalyst layer 11b on the oxygen electrode side. At the same time, oxygen introduced from the separator 14b on the oxygen electrode side passes through the gas diffusion electrode 13b on the oxygen electrode side and reaches the catalyst layer 11b on the oxygen electrode side. Then, water is generated from oxygen, electrons, and hydrogen ions to complete the power generation cycle.
In addition to hydrogen, alcohols such as methanol and ethanol can also be used directly as the fuel used in the polymer electrolyte fuel cell.

上述した燃料電池サイクルにおいては、燃料極側および酸素極側ともに電気化学反応が連続して進行することが求められるが、そのためにはガス拡散能、導電性、耐熱性、耐薬品性、撥水性に優れたガス拡散電極が必要である。とりわけ導電性が燃料電池の性能に大きく影響を与えるので、導電性の高いガス拡散電極が要求されている。
従来の燃料電池用のガス拡散電極としては、炭素およびPAN系炭素繊維からなるものが提案されている(例えば、特許文献1参照)。
特開2003−239164号公報
In the fuel cell cycle described above, it is required that the electrochemical reaction proceeds continuously on both the fuel electrode side and the oxygen electrode side. For this purpose, gas diffusion capacity, conductivity, heat resistance, chemical resistance, water repellency are required. An excellent gas diffusion electrode is required. In particular, since the conductivity greatly affects the performance of the fuel cell, a highly conductive gas diffusion electrode is required.
As a conventional gas diffusion electrode for a fuel cell, an electrode made of carbon and a PAN-based carbon fiber has been proposed (see, for example, Patent Document 1).
JP 2003-239164 A

しかし、特許文献1に記載のガス拡散電極は、導電性が不十分であるため、触媒上で発生した電子を効率的に回路に導けず、十分に高い性能を有する燃料電池を得ることができなかった。
本発明は、上記の問題点を解決するためになされたものであり、その目的は、高導電性を有する燃料電池用ガス拡散電極およびその製造方法を提供することにある。
However, since the gas diffusion electrode described in Patent Document 1 has insufficient conductivity, electrons generated on the catalyst cannot be efficiently guided to the circuit, and a fuel cell having sufficiently high performance can be obtained. There wasn't.
The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object thereof is to provide a gas diffusion electrode for a fuel cell having high conductivity and a method for manufacturing the same.

本発明の燃料電池用ガス拡散電極は、カーボンナノファイバを含む不織布からなることを特徴とする。
本発明の燃料電池用ガス拡散電極においては、カーボンナノファイバが、カーボンナノチューブおよび/またはカーボンナノホーンであることが好ましい。
また、前記不織布が、カーボンナノファイバと有機高分子とを混抄したもの、カーボンナノファイバと無機材料とを混抄したもの、カーボンナノファイバと有機高分子と無機材料とを混抄したもののいずれかであることが好ましい。
その際、有機高分子が、天然パルプ、ポリエチレン樹脂パルプ、ポリプロピレン樹脂パルプ、フッ素樹脂から選ばれた少なくとも1種であることが好ましく、無機材料が、ガラス繊維、ステンレス繊維から選ばれた少なくとも1種であることが好ましい。
また、本発明の燃料電池用ガス拡散電極においては、カーボンナノファイバに触媒が担持されていてもよい。
また、燃料電池用ガス拡散電極は、カーボンナノファイバ以外のカーボンに触媒が担持された触媒担持カーボンが含まれていることが好ましい。
また、本発明の燃料電池用ガス拡散電極においては、カーボンナノファイバの含有量が0.1質量%以上であることが好ましい。
本発明の燃料電池用ガス拡散電極は、厚さ方向の電気抵抗値が2.0mΩ以下であることが好ましい。また、嵩密度が0.05g/cm〜0.50g/cmであることが好ましい。さらに、厚みが1.0μm〜100μmであることが好ましい。
本発明の燃料電池用ガス拡散電極の製造方法は、工程1:必須成分としてカーボンナノファイバを含み、任意成分として有機高分子および/または無機材料を含む分散スラリーを調製する工程と、
工程2:該分散スラリーを脱水する工程と、
工程3:工程2で脱水したものを乾燥する工程とを有することを特徴とする。
The gas diffusion electrode for fuel cells of the present invention is characterized by comprising a nonwoven fabric containing carbon nanofibers.
In the gas diffusion electrode for a fuel cell of the present invention, the carbon nanofiber is preferably a carbon nanotube and / or a carbon nanohorn.
The non-woven fabric is either a mixture of carbon nanofibers and organic polymer, a mixture of carbon nanofibers and inorganic material, or a mixture of carbon nanofibers, organic polymer and inorganic material. It is preferable.
At that time, the organic polymer is preferably at least one selected from natural pulp, polyethylene resin pulp, polypropylene resin pulp, and fluororesin, and the inorganic material is at least one selected from glass fiber and stainless fiber. It is preferable that
In the gas diffusion electrode for a fuel cell of the present invention, a catalyst may be supported on the carbon nanofiber.
The gas diffusion electrode for a fuel cell preferably contains catalyst-supported carbon in which a catalyst is supported on carbon other than carbon nanofibers.
Moreover, in the gas diffusion electrode for fuel cells of the present invention, the content of carbon nanofibers is preferably 0.1% by mass or more.
The fuel cell gas diffusion electrode of the present invention preferably has an electric resistance value in the thickness direction of 2.0 mΩ or less. Further, it is preferable that a bulk density of 0.05g / cm 3 ~0.50g / cm 3 . Furthermore, it is preferable that thickness is 1.0 micrometer-100 micrometers.
The method for producing a gas diffusion electrode for a fuel cell according to the present invention includes a step 1: preparing a dispersion slurry containing carbon nanofibers as an essential component and an organic polymer and / or an inorganic material as an optional component;
Step 2: dehydrating the dispersed slurry;
Step 3: a step of drying the water dehydrated in Step 2.

本発明の燃料電池用ガス拡散電極は、十分に高い導電性を有しており、触媒上で発生した電子を効率的に回路に導けるので、高性能の燃料電池を得ることができる。
本発明の燃料電池用ガス拡散電極の製造方法によれば、カーボンナノファイバを高分散状態にできる。
The gas diffusion electrode for a fuel cell of the present invention has sufficiently high conductivity and can efficiently conduct electrons generated on the catalyst to a circuit, so that a high-performance fuel cell can be obtained.
According to the method for producing a gas diffusion electrode for a fuel cell of the present invention, carbon nanofibers can be in a highly dispersed state.

本発明の燃料電池用ガス拡散電極(以下、ガス拡散電極と略す)は、カーボンナノファイバを含む不織布である。この不織布は、カーボンナノファイバの分散性が高いので、導電性が高い。また、カーボンナノファイバを用いた不織布では、カーボンナノファイバ軸方向が厚さ方向に向いているものが多く、厚さ方向の電気抵抗値が低くなるので、導電性が高くなる。よって、カーボンナノファイバを含む不織布からなるガス拡散電極は高導電性を有している。さらに、カーボンナノファイバを含む不織布ではガス拡散電極を薄くできる。ガス拡散電極が薄くなれば、導電性が高くなる上に、燃料電池を小型化できる。
その上、カーボンナノファイバを含む不織布からなるガス拡散電極は、表面平滑性が高いので、例えばメンブレンエレクトロードアッセンブリ(MEA)作製の際に、高分子電解質膜と接合した状態で数MPaという高い圧力をかけても高分子電解質膜が損傷しにくい。
The gas diffusion electrode for fuel cells of the present invention (hereinafter abbreviated as “gas diffusion electrode”) is a nonwoven fabric containing carbon nanofibers. This nonwoven fabric has high conductivity because the carbon nanofibers are highly dispersible. Moreover, in many nonwoven fabrics using carbon nanofibers, the carbon nanofiber axial direction is often in the thickness direction, and the electrical resistance value in the thickness direction is low, so the conductivity is high. Therefore, the gas diffusion electrode which consists of a nonwoven fabric containing carbon nanofiber has high electroconductivity. Furthermore, a gas diffusion electrode can be made thin in the nonwoven fabric containing carbon nanofibers. If the gas diffusion electrode is made thinner, the conductivity becomes higher and the fuel cell can be made smaller.
In addition, since the gas diffusion electrode made of a nonwoven fabric containing carbon nanofibers has high surface smoothness, for example, when a membrane electrode assembly (MEA) is manufactured, a pressure as high as several MPa in a state of being joined to a polymer electrolyte membrane. The polymer electrolyte membrane is not easily damaged even if it is applied.

不織布としては、カーボンナノファイバと有機高分子および/または無機材料とを混抄したものであってもよい。ここで、有機高分子としては、天然パルプ、ポリエチレン樹脂(PE)パルプ、ポリプロピレン樹脂(PP)パルプ、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)などのフッ素樹脂から選ばれた少なくとも1種であることが好ましい。有機高分子を用いれば、カーボンナノファイバ同士の結着が強まり、強度が高まる傾向にある。特に、フッ素樹脂を用いた場合には、ガス拡散電極の撥水性が増し、燃料電池の発電特性がより向上する。また、無機材料としては、ガラス繊維、ステンレス繊維から選ばれた少なくとも1種が好ましく、中でも、ステンレス繊維が特に好ましい。ステンレス繊維を用いればより高い導電性が得られる。   The nonwoven fabric may be a mixture of carbon nanofibers and organic polymer and / or inorganic material. Here, the organic polymer is preferably at least one selected from fluorine resins such as natural pulp, polyethylene resin (PE) pulp, polypropylene resin (PP) pulp, and polytetrafluoroethylene (PTFE). If an organic polymer is used, the binding between the carbon nanofibers becomes stronger and the strength tends to increase. In particular, when a fluororesin is used, the water repellency of the gas diffusion electrode increases and the power generation characteristics of the fuel cell are further improved. Moreover, as an inorganic material, at least 1 sort (s) chosen from glass fiber and stainless steel fiber is preferable, and stainless steel fiber is especially preferable especially. If stainless steel fiber is used, higher conductivity can be obtained.

不織布がカーボンナノファイバと有機高分子および/または無機材料とを混抄したものなど、カーボンナノファイバ以外の成分を含有する場合、カーボンナノファイバの含有量は0.1質量%以上であることが好ましく、100質量%に近い方がより好ましい。カーボンナノファイバの含有量が100質量%に近ければ、より高い導電性が得られる。なお、0.1質量%未満であると高い導電性を示さないおそれがある。   When the nonwoven fabric contains components other than carbon nanofibers, such as a mixture of carbon nanofibers and organic polymer and / or inorganic material, the content of carbon nanofibers is preferably 0.1% by mass or more. , Closer to 100% by mass is more preferable. If the content of the carbon nanofiber is close to 100% by mass, higher conductivity can be obtained. In addition, there exists a possibility that high electroconductivity may not be shown as it is less than 0.1 mass%.

ガス拡散電極を構成するカーボンナノファイバとしては、カーボンナノチューブおよび/またはカーボンナノホーンが好適に用いられる。その中でも、特にカーボンナノチューブが好ましい。カーボンナノチューブを電極材料として用いた場合には、より高い導電性が得られる。   As the carbon nanofibers constituting the gas diffusion electrode, carbon nanotubes and / or carbon nanohorns are preferably used. Among these, carbon nanotubes are particularly preferable. When carbon nanotubes are used as the electrode material, higher conductivity can be obtained.

また、カーボンナノファイバには、触媒を担持させておいてもよい。触媒を担持したカーボンナノファイバを用いれば、触媒の利用効率を高く保つことができるので、高価な触媒の量を少なくできる。その上、触媒層を新たに設ける必要が無いので製造上のメリットが大きい。
また、カーボンナノファイバを含む不織布に、カーボンナノファイバ以外のカーボンに触媒を担持させた触媒担持カーボンを含有させてもよい。上記触媒を担持させたカーボンナノファイバと該触媒担持カーボンとを併用した場合は、更に触媒の利用効率を高くすることができるため好ましい。
In addition, a catalyst may be supported on the carbon nanofiber. If the carbon nanofiber carrying the catalyst is used, the utilization efficiency of the catalyst can be kept high, so that the amount of expensive catalyst can be reduced. In addition, since there is no need to provide a new catalyst layer, there is a great merit in manufacturing.
Moreover, you may make the nonwoven fabric containing carbon nanofiber contain the catalyst carrying | support carbon which carry | supported the catalyst on carbon other than carbon nanofiber. The combined use of the carbon nanofiber carrying the catalyst and the catalyst-carrying carbon is preferable because the utilization efficiency of the catalyst can be further increased.

ここで、触媒としては、水素から水素イオンおよび酸素から酸素イオンを生成できる触媒であれば特に制限はないが、白金や白金とルテニウムなどの合金触媒を主に用いることが好ましい。上記触媒担持カーボンに用いられるカーボンとしては、比表面積が大きく、かつ二次凝集粒子の大きさが比較的大きい高ストラクチャーのものが性能と生産性の両立から好ましい。このようなものとしては、例えば、ファーネスブラックやチャネルブラック等に代表されるカーボンブラックが挙げられる。さらに、導電性グレードのカーボンブラックの中でも、例えば、ライオンアクゾ社のケッチンECやキャボット社のVulcanXC72Rは、スラリーでの高分散性と触媒に用いた場合の抵抗の低さから本発明に好適に用いられる。ただし、本発明で使用可能なカーボンブラックはこれらの例に限られることはなく、比表面積や粒子径の大きさによらずいずれのグレードも使用可能である。
また、触媒担持カーボンにおいては、カーボンブラック以外の炭素粒子を用いることもできる。カーボンブラック以外の炭素粒子としては、アセチレンブラック、黒鉛、カーボン繊維などがカーボンブラックと同様に好適に用いられる。
さらに、カーボンの代わりに、酸化雰囲気に耐性を有する導電性の無機材料を用いることもできる。
Here, the catalyst is not particularly limited as long as it can generate hydrogen ions from hydrogen and oxygen ions from oxygen, but it is preferable to mainly use an alloy catalyst such as platinum or platinum and ruthenium. The carbon used for the catalyst-supporting carbon is preferably a high-structure carbon having a large specific surface area and a relatively large size of the secondary agglomerated particles in view of both performance and productivity. Examples of such a carbon black include carbon black typified by furnace black and channel black. Furthermore, among conductive grade carbon blacks, for example, Lion Akzo's Ketchin EC and Cabot's VulcanXC72R are suitable for use in the present invention because of their high dispersibility in slurry and low resistance when used as a catalyst. It is done. However, the carbon black that can be used in the present invention is not limited to these examples, and any grade can be used regardless of the specific surface area or the particle size.
In the catalyst-supporting carbon, carbon particles other than carbon black can be used. As carbon particles other than carbon black, acetylene black, graphite, carbon fiber and the like are suitably used in the same manner as carbon black.
Furthermore, a conductive inorganic material having resistance to an oxidizing atmosphere can be used instead of carbon.

このガス拡散電極において、厚み方向の電気抵抗値は2.0mΩ以下であることが好ましい。ガス拡散電極の厚み方向の電気抵抗値が2.0mΩより大きいと、電池性能が低下しやすくなる上に、発熱してカーボンナノファイバが脆化する傾向にある。
なお、電気抵抗値は以下のようにして測定した値のことである。すなわち、金メッキした2枚の50mm角(厚さ10mm)の電極で燃料電池用電極を圧力1MPaで挟み、両電極間の電気抵抗値(R(mΩ))を測定する。この値を厚さ方向の電気抵抗値とする。
In this gas diffusion electrode, the electrical resistance value in the thickness direction is preferably 2.0 mΩ or less. When the electric resistance value in the thickness direction of the gas diffusion electrode is larger than 2.0 mΩ, the battery performance tends to be deteriorated and the carbon nanofibers tend to become brittle due to heat generation.
The electrical resistance value is a value measured as follows. That is, a fuel cell electrode is sandwiched between two gold-plated 50 mm square (thickness 10 mm) electrodes at a pressure of 1 MPa, and an electrical resistance value (R (mΩ)) between the two electrodes is measured. This value is the electric resistance value in the thickness direction.

ガス拡散電極の嵩密度は、0.05g/cm〜0.50g/cmであることが好ましい。嵩密度が0.05g/cm未満の場合には、該電極内の空隙が多くなり、導電通路が減少するので、内部抵抗が増大し、電気抵抗値が高くなる傾向にある。嵩密度が0.50g/cmを超える場合には、ガスの拡散性が低下する傾向にある。
なお、嵩密度は以下のような計算式(1)から求めた値である。
計算式(1):
嵩密度(g/cm)=質量(g)/{電極の単位面積(cm)×厚み(cm)}
The bulk density of the gas diffusion electrode is preferably 0.05 g / cm 3 to 0.50 g / cm 3 . When the bulk density is less than 0.05 g / cm 3 , voids in the electrode increase and the conductive path decreases, so that the internal resistance increases and the electric resistance value tends to increase. When the bulk density exceeds 0.50 g / cm 3 , the gas diffusibility tends to decrease.
The bulk density is a value obtained from the following calculation formula (1).
Formula (1):
Bulk density (g / cm 3 ) = mass (g) / {unit area of electrode (cm 2 ) × thickness (cm)}

ガス拡散電極の厚さは、1.0μm〜100μmであることが好ましい。厚さが1.0μm未満の場合には、強度が低下して加工時に切断しやすくなるなどの傾向がある。100μmを超える場合には、厚さ方向の電気抵抗値が増加する上に、電池の小型化が難しくなる等の不具合が生じる傾向にある。
なお、ガス拡散電極の厚さは、マイクロメーター(打点式厚み計)を用いて測定した値である。
The thickness of the gas diffusion electrode is preferably 1.0 μm to 100 μm. When the thickness is less than 1.0 μm, there is a tendency that the strength is lowered and it is easy to cut during processing. When the thickness exceeds 100 μm, the electrical resistance value in the thickness direction increases, and there is a tendency for problems such as difficulty in downsizing the battery.
In addition, the thickness of the gas diffusion electrode is a value measured using a micrometer (dot type thickness meter).

次に、本発明の燃料電池用ガス拡散電極の製造方法について説明する。
本発明の燃料電池用ガス拡散電極の製造方法は、必須成分としてカーボンナノファイバを含み、任意成分として有機高分子および/または無機材料を含む分散スラリーを調製し(工程1)、これを脱水(工程2)、乾燥(工程3)してシート(不織布)化する方法である。
このような製造方法では、通常の製紙で行われる湿式抄紙法を適用できる。湿式抄紙法では、まず、所定量のカーボンナノファイバ単体スラリーと、必要に応じて有機高分子および/または無機材料を含む混合スラリーとを、水中で撹拌、混合して分散スラリーを調製する。水中で攪拌する際には超音波発生装置を用いてもよい。
次いで、分散スラリーを濃度調整し、このスラリーを長網式、円網式などの湿式抄造機に供給し、連続したワイヤメッシュ上の脱水パートで脱水する。そして、脱水したものを乾燥して不織布からなるガス拡散電極を得る。
このような製造方法で得られたガス拡散電極は、カーボンナノファイバが高分散状態にあるため、電導性が高いという優れた特徴を有している。
Next, the manufacturing method of the gas diffusion electrode for fuel cells of this invention is demonstrated.
In the method for producing a gas diffusion electrode for a fuel cell of the present invention, a dispersion slurry containing carbon nanofibers as an essential component and an organic polymer and / or an inorganic material as an optional component is prepared (step 1) and dehydrated (step 1). Step 2) is a method of drying (step 3) to form a sheet (nonwoven fabric).
In such a production method, a wet papermaking method performed by ordinary papermaking can be applied. In the wet papermaking method, first, a dispersion slurry is prepared by stirring and mixing a predetermined amount of a carbon nanofiber simple substance slurry and a mixed slurry containing an organic polymer and / or an inorganic material as necessary. When stirring in water, an ultrasonic generator may be used.
Next, the concentration of the dispersed slurry is adjusted, and this slurry is supplied to a wet papermaking machine such as a long net type or a circular net type, and dehydrated by a dewatering part on a continuous wire mesh. Then, the dehydrated one is dried to obtain a gas diffusion electrode made of nonwoven fabric.
The gas diffusion electrode obtained by such a manufacturing method has an excellent feature of high conductivity because the carbon nanofibers are in a highly dispersed state.

以下に、実施例およ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:カーボンナノチューブ(CNT)のみ>
水を入れた容器中に、原材料としてカーボンナノチューブ100gを入れ、超音波発生装置で超音波を発生させつつ攪拌機で撹拌、混合して均一に分散させて分散スラリーを調製した。この分散スラリーを所定量採取し、JIS P8222:1998で規定される標準手抄き装置を用いて湿紙を作成した。その後、プレス脱水を行い、130℃に温度調整したヤンキードライヤーを用いて、湿紙の乾燥を行ってガス拡散電極を得た。
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: Carbon nanotube (CNT) only>
In a container containing water, 100 g of carbon nanotubes were put as a raw material, and while stirring with a stirrer while generating ultrasonic waves with an ultrasonic generator, they were uniformly dispersed to prepare a dispersed slurry. A predetermined amount of this dispersed slurry was collected, and a wet paper was prepared using a standard hand-making apparatus defined in JIS P8222: 1998. Thereafter, press dehydration was performed, and wet paper was dried using a Yankee dryer whose temperature was adjusted to 130 ° C. to obtain a gas diffusion electrode.

<実施例2:CNT/フッ素樹脂(PTFE)=99/1>
原材料としてカーボンナノチューブ99gおよびPTFE1g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。
<実施例3:CNT/ポリプロピレン樹脂(PP)=99/1>
原材料としてカーボンナノチューブ99gおよびPPパルプ1g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。
<実施例4:CNT/ポリエチレン樹脂(PE)=99/1>
原材料としてカーボンナノチューブ99gおよびPEパルプ1g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。
<実施例5:CNT/天然パルプ(NP)=99/1>
原材料としてカーボンナノチューブ99gおよび天然パルプ1g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。
<Example 2: CNT / fluororesin (PTFE) = 99/1>
A gas diffusion electrode was obtained in the same manner as in Example 1 except that 99 g of carbon nanotubes and 1 g of PTFE were used as raw materials.
<Example 3: CNT / polypropylene resin (PP) = 99/1>
A gas diffusion electrode was obtained in the same manner as in Example 1 except that 99 g of carbon nanotubes and 1 g of PP pulp were used as raw materials.
<Example 4: CNT / polyethylene resin (PE) = 99/1>
A gas diffusion electrode was obtained in the same manner as in Example 1 except that 99 g of carbon nanotubes and 1 g of PE pulp were used as raw materials.
<Example 5: CNT / natural pulp (NP) = 99/1>
A gas diffusion electrode was obtained in the same manner as in Example 1 except that 99 g of carbon nanotubes and 1 g of natural pulp were used as raw materials.

<実施例6:CNT/PP/NP=80/10/10>
原材料としてカーボンナノチューブ80g、PPパルプ10g、天然パルプ10g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。
<実施例7:CNT/PE/NP=80/10/10>
原材料としてカーボンナノチューブ80g、PEパルプ10g、天然パルプ10g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。
<実施例8:CNT/PP/PE=80/10/10>
原材料としてカーボンナノチューブ80g、PPパルプ10g、PEパルプ10g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。
<実施例9:CNT/ステンレス繊維=99/1>
原材料としてカーボンナノチューブ99gおよびステンレス繊維1g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。
<実施例10:CNT/PP/ステンレス繊維=80/10/10>
原材料としてカーボンナノチューブ80g、PPパルプ10g、ステンレス繊維10g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。
<Example 6: CNT / PP / NP = 80/10/10>
A gas diffusion electrode was obtained in the same manner as in Example 1 except that 80 g of carbon nanotubes, 10 g of PP pulp, and 10 g of natural pulp were used as raw materials.
<Example 7: CNT / PE / NP = 80/10/10>
A gas diffusion electrode was obtained in the same manner as in Example 1 except that 80 g of carbon nanotubes, 10 g of PE pulp, and 10 g of natural pulp were used as raw materials.
<Example 8: CNT / PP / PE = 80/10/10>
A gas diffusion electrode was obtained in the same manner as in Example 1 except that 80 g of carbon nanotubes, 10 g of PP pulp, and 10 g of PE pulp were used as raw materials.
<Example 9: CNT / stainless fiber = 99/1>
A gas diffusion electrode was obtained in the same manner as in Example 1 except that 99 g of carbon nanotubes and 1 g of stainless fiber were used as raw materials.
<Example 10: CNT / PP / stainless fiber = 80/10/10>
A gas diffusion electrode was obtained in the same manner as in Example 1 except that 80 g of carbon nanotubes, 10 g of PP pulp, and 10 g of stainless fiber were used as raw materials.

<実施例11:CNT/PP=50/50>
原材料としてカーボンナノチューブ50gおよびPPパルプ50g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。
<実施例12:CNT/PP=10/90>
原材料としてカーボンナノチューブ10gおよびPPパルプ90gを用いた以外は、実施例1と同様にして燃料電池用ガス拡散電極を得た。
<実施例13>
原材料として白金触媒を担持させたカーボンナノチューブ100g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。
<実施例14>
原材料としてカーボンナノチューブ90gおよび白金触媒を担持したカーボンブラック(田中貴金属社製:白金担持触媒TEC10E50E)10g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。
<比較例1,2>
ガス拡散電極としてE−TEK社製カーボンクロスを用いた。なお、このカーボンクロスは、カーボンナノファイバではない炭素繊維から作製されたものである。
<Example 11: CNT / PP = 50/50>
A gas diffusion electrode was obtained in the same manner as in Example 1 except that 50 g of carbon nanotubes and 50 g of PP pulp were used as raw materials.
<Example 12: CNT / PP = 10/90>
A gas diffusion electrode for a fuel cell was obtained in the same manner as in Example 1 except that 10 g of carbon nanotubes and 90 g of PP pulp were used as raw materials.
<Example 13>
A gas diffusion electrode was obtained in the same manner as in Example 1 except that 100 g of carbon nanotubes carrying a platinum catalyst was used as a raw material.
<Example 14>
A gas diffusion electrode was obtained in the same manner as in Example 1, except that 90 g of carbon nanotubes and 10 g of carbon black carrying a platinum catalyst (platinum supported catalyst TEC10E50E) were used as raw materials.
<Comparative Examples 1 and 2>
A carbon cloth manufactured by E-TEK was used as a gas diffusion electrode. In addition, this carbon cloth is produced from carbon fibers that are not carbon nanofibers.

<電極物性および燃料電池発電特性の評価結果>
実施例1〜実施例14および比較例1,2のガス拡散電極の電極物性、およびこれを備えた燃料電池の発電特性を評価した結果を表1に示す。
<Evaluation results of electrode properties and fuel cell power generation characteristics>
Table 1 shows the evaluation results of the electrode physical properties of the gas diffusion electrodes of Examples 1 to 14 and Comparative Examples 1 and 2 and the power generation characteristics of the fuel cell equipped with the physical properties.

Figure 2005149745
Figure 2005149745

なお、評価に使用した燃料電池は、以下のようにして作製したものである。
実施例1〜実施例12および比較例1においては、まず、25mm角のガス拡散電極を2枚用意し、それぞれを燃料極用、酸素極用とした。そして、燃料極用のガス拡散電極には、白金触媒およびルテニウム触媒を担持させたカーボンとカーボンナノチューブと有機溶媒とからなる触媒スラリーを、白金触媒およびルテニウム触媒を担持させたカーボンの量が0.3mg/cmになるように塗工した。また、酸素極用のガス拡散電極には、白金触媒を担持させたカーボンと有機溶媒とからなる触媒スラリーを、白金触媒を担持させたカーボンの量が0.3mg/cmになるように塗工した。次いで、触媒スラリ−を塗工した2つのガス拡散電極をイオン交換膜(Du Pont社製Nafion117)の両面に接触するように配し、熱圧プレス(120℃)にて接合してガス拡散電極とイオン交換膜との接合体(MEA)を作製した。以上で得られたMEAを単セルに組み込んで評価用のセルとした。
実施例13,14においては、ガス拡散電極に上記触媒スラリーを塗布せずにそのまま用いた。
比較例2においては、上記燃料極用触媒スラリーおよび酸素極用触媒スラリーとして、カーボンナノチューブを混合し分散させたスラリーを用いた。すなわち、燃料極用のガス拡散電極には、白金触媒およびルテニウム触媒を担持させたカーボンとカーボンナノチューブと有機溶媒とからなる触媒スラリーを、白金触媒およびルテニウム触媒を担持させたカーボンの量が0.3mg/cm、カーボンナノチューブの量が0.05mg/cmになるように塗工した。また、酸素極用のガス拡散電極には、白金触媒を担持させたカーボンとカーボンナノチューブと有機溶媒とからなる触媒スラリーを、白金触媒を担持させたカーボンの量が0.3mg/cm、カーボンナノチューブの量が0.05mg/cmになるように塗工した。それ以外は比較例1と同様にした。
In addition, the fuel cell used for evaluation was produced as follows.
In Examples 1 to 12 and Comparative Example 1, first, two 25 mm square gas diffusion electrodes were prepared for the fuel electrode and the oxygen electrode, respectively. In the gas diffusion electrode for the fuel electrode, a catalyst slurry made of carbon, a carbon nanotube and an organic solvent carrying platinum catalyst and ruthenium catalyst, and the amount of carbon carrying platinum catalyst and ruthenium catalyst is 0.00. Coating was carried out to 3 mg / cm 2 . The gas diffusion electrode for the oxygen electrode is coated with a catalyst slurry composed of carbon carrying a platinum catalyst and an organic solvent so that the amount of carbon carrying the platinum catalyst is 0.3 mg / cm 2. Worked. Next, two gas diffusion electrodes coated with a catalyst slurry are placed in contact with both surfaces of the ion exchange membrane (Dafon Nafion 117), and bonded by a hot press (120 ° C.). And an ion exchange membrane (MEA). The MEA obtained above was incorporated into a single cell to obtain a cell for evaluation.
In Examples 13 and 14, the catalyst slurry was not applied to the gas diffusion electrode and used as it was.
In Comparative Example 2, a slurry in which carbon nanotubes were mixed and dispersed was used as the fuel electrode catalyst slurry and the oxygen electrode catalyst slurry. That is, in the gas diffusion electrode for the fuel electrode, a catalyst slurry composed of carbon, carbon nanotubes, and organic solvent carrying platinum catalyst and ruthenium catalyst, and the amount of carbon carrying platinum catalyst and ruthenium catalyst is 0. The coating was performed so that the amount of carbon nanotubes was 3 mg / cm 2 and 0.05 mg / cm 2 . Further, in the gas diffusion electrode for the oxygen electrode, a catalyst slurry composed of carbon carrying a platinum catalyst, carbon nanotubes, and an organic solvent is used, and the amount of carbon carrying a platinum catalyst is 0.3 mg / cm 2 . Coating was performed so that the amount of the nanotubes was 0.05 mg / cm 2 . Other than that, it was the same as Comparative Example 1.

燃料電池の各セルへの供給ガスとしては水素および酸素を用いた。供給ガスはいずれもバブリングにて加湿し2.5気圧の供給圧とした上で、単セルにかかる温度が70℃になるように保持した。このような条件にて、電流密度1A/cmでの電圧を調べた結果を表1に示す。 Hydrogen and oxygen were used as the gas supplied to each cell of the fuel cell. All the supply gases were humidified by bubbling to a supply pressure of 2.5 atm, and held at a temperature of 70 ° C. for the single cell. Table 1 shows the results of examining the voltage at a current density of 1 A / cm 2 under these conditions.

表1に示すように、実施例1〜14は、ガス拡散電極がカーボンナノファイバを含む不織布からなり、それ自体が高い導電性を有している上に、厚さを薄くでき、嵩密度が適度な範囲になるので、より一層導電性が高くなった(電気抵抗値2.0mΩ以下)。そして、このガス拡散電極を備えた燃料電池は、電流密度1A/cmでの電圧が高く、発電性能に優れていた。
比較例1,2は、ガス拡散電極が従来のカーボンナノファイバを含まない炭素繊維電極であり、燃料電池の発電性能が低かった。
As shown in Table 1, in Examples 1 to 14, the gas diffusion electrode is made of a nonwoven fabric containing carbon nanofibers, and the gas diffusion electrode itself has high conductivity, and the thickness can be reduced and the bulk density is increased. Since it was in an appropriate range, the conductivity was further increased (electric resistance value of 2.0 mΩ or less). And the fuel cell provided with this gas diffusion electrode had a high voltage at a current density of 1 A / cm 2 and was excellent in power generation performance.
In Comparative Examples 1 and 2, the gas diffusion electrode was a carbon fiber electrode that did not contain a conventional carbon nanofiber, and the power generation performance of the fuel cell was low.

次に、実施例1、比較例1、比較例2のガス拡散電極を用いて、上記と同様の単セルを組み立て、水で希釈したメタノールの希釈液(メタノール5質量%)を燃料として評価した。電流密度1A/cmでの電圧を調べた結果を表2に示す。 Next, using the gas diffusion electrodes of Example 1, Comparative Example 1 and Comparative Example 2, a single cell similar to the above was assembled, and a diluted methanol solution (5% by mass of methanol) was evaluated as fuel. . Table 2 shows the results of examining the voltage at a current density of 1 A / cm 2 .

Figure 2005149745
Figure 2005149745

表2の結果から、カーボンナノファイバを含む不織布からなるガス拡散電極を用いた場合には、電流密度1A/cmでの電圧が高く、メタノール液系の固体高分子型燃料電池において良好な性能を発揮することが確認された。 From the results in Table 2, when a gas diffusion electrode made of a nonwoven fabric containing carbon nanofibers is used, the voltage at a current density of 1 A / cm 2 is high, and good performance in a methanol liquid polymer electrolyte fuel cell. It was confirmed that

固体高分子型燃料電池を構成する単セルの基本構造を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the basic structure of the single cell which comprises a polymer electrolyte fuel cell.

Claims (14)

カーボンナノファイバを含む不織布からなることを特徴とする燃料電池用ガス拡散電極。   A gas diffusion electrode for fuel cells, comprising a nonwoven fabric containing carbon nanofibers. カーボンナノファイバが、カーボンナノチューブおよび/またはカーボンナノホーンであることを特徴とする請求項1に記載の燃料電池用ガス拡散電極。   The gas diffusion electrode for a fuel cell according to claim 1, wherein the carbon nanofiber is a carbon nanotube and / or a carbon nanohorn. 不織布が、カーボンナノファイバと有機高分子とを混抄したものであることを特徴とする請求項2に記載の燃料電池用ガス拡散電極。   The gas diffusion electrode for a fuel cell according to claim 2, wherein the nonwoven fabric is a mixture of carbon nanofiber and organic polymer. 不織布が、カーボンナノファイバと無機材料とを混抄したものであることを特徴とする請求項2に記載の燃料電池用ガス拡散電極。   The gas diffusion electrode for a fuel cell according to claim 2, wherein the nonwoven fabric is a mixture of carbon nanofibers and an inorganic material. 不織布が、カーボンナノファイバと有機高分子と無機材料とを混抄したものであることを特徴とする請求項2に記載の燃料電池用ガス拡散電極。   The gas diffusion electrode for a fuel cell according to claim 2, wherein the nonwoven fabric is a mixture of carbon nanofiber, organic polymer, and inorganic material. 有機高分子が、天然パルプ、ポリエチレン樹脂パルプ、ポリプロピレン樹脂パルプ、フッ素樹脂から選ばれた少なくとも1種であることを特徴とする請求項3または5に記載の燃料電池用ガス拡散電極。   6. The gas diffusion electrode for a fuel cell according to claim 3, wherein the organic polymer is at least one selected from natural pulp, polyethylene resin pulp, polypropylene resin pulp, and fluororesin. 無機材料が、ガラス繊維、ステンレス繊維から選ばれた少なくとも1種であることを特徴とする請求項4または5に記載の燃料電池用ガス拡散電極。   The gas diffusion electrode for a fuel cell according to claim 4 or 5, wherein the inorganic material is at least one selected from glass fiber and stainless fiber. カーボンナノファイバには、触媒が担持されていることを特徴とする請求項1〜7のいずれかに記載の燃料電池用ガス拡散電極。   The gas diffusion electrode for a fuel cell according to any one of claims 1 to 7, wherein a catalyst is supported on the carbon nanofiber. カーボンナノファイバ以外のカーボンに触媒が担持された触媒担持カーボンが含まれていることを特徴とする請求項1〜8のいずれかに記載の燃料電池用ガス拡散電極。   The gas diffusion electrode for a fuel cell according to any one of claims 1 to 8, wherein a catalyst-supporting carbon in which a catalyst is supported on carbon other than carbon nanofibers is included. カーボンナノファイバの含有量が0.1質量%以上であることを特徴とする請求項1〜9のいずれかに記載の燃料電池用ガス拡散電極。   The gas diffusion electrode for a fuel cell according to any one of claims 1 to 9, wherein the content of the carbon nanofiber is 0.1% by mass or more. 厚さ方向の電気抵抗値が2.0mΩ以下であることを特徴とする請求項1〜10のいずれかに記載の燃料電池用ガス拡散電極。   The gas diffusion electrode for a fuel cell according to any one of claims 1 to 10, wherein an electric resistance value in a thickness direction is 2.0 mΩ or less. 嵩密度が0.05g/cm〜0.50g/cmであることを特徴とする請求項1〜11のいずれかに記載の燃料電池用ガス拡散電極。 The gas diffusion electrode for a fuel cell according to any one of claims 1 to 11, wherein the bulk density is 0.05 g / cm 3 to 0.50 g / cm 3 . 厚みが1.0μm〜100μmであることを特徴とする請求項1〜12のいずれかに記載の燃料電池用ガス拡散電極。   The gas diffusion electrode for a fuel cell according to any one of claims 1 to 12, wherein the thickness is 1.0 µm to 100 µm. 工程1:必須成分としてカーボンナノファイバを含み、任意成分として有機高分子および/または無機材料を含む分散スラリーを調製する工程と、
工程2:該分散スラリーを脱水する工程と、
工程3:工程2で脱水したものを乾燥する工程とを有することを特徴とする燃料電池用ガス拡散電極の製造方法。
Step 1: preparing a dispersion slurry containing carbon nanofibers as an essential component and an organic polymer and / or inorganic material as an optional component;
Step 2: dehydrating the dispersed slurry;
Step 3: A method for producing a gas diffusion electrode for a fuel cell, comprising: drying the material dehydrated in Step 2.
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