JP2006244949A - Electrode for fuel cell and fuel cell - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an electrode for fuel cell superior in stability of output with the passage of time by progressing efficiently an oxidation reaction and a reduction reaction. <P>SOLUTION: The electrode for fuel cell contains an assembly of a hollow carbon fiber. The assembly of the hollow carbon fiber carries a catalyst inside the hole 10. At least one of the anode electrode and cathode electrode of the electrode for fuel cell uses the electrode having the assembly 11 of the hollow carbon fiber with the average diameter of the hole 100 nm or more and less than 1 mm, and the fuel cell is a direct methanol fuel cell. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、燃料電池用電極及び燃料電池に関する。   The present invention relates to an electrode for a fuel cell and a fuel cell.

近年、携帯用電子機器及び無線通信機器の急激な普及に伴って、携帯用電源供給装置や無公害自動車用エネルギー源として燃料電池が注目され、その開発に力が注がれている。   In recent years, with the rapid spread of portable electronic devices and wireless communication devices, fuel cells have attracted attention as portable power supply devices and energy sources for pollution-free automobiles, and their development has been focused on.

燃料電池は、電極であるアノード極およびカソード極と、これらの間に設けられた電解質等から構成され、燃料として水素ガス又はメタノール等を用い、酸化剤として酸素ガス又は空気を用い、これらを電気化学的に反応させて生ずるエネルギーを直接電気エネルギーに変換させる発電システムである。これには、500〜700℃の高温で作動する溶融炭酸塩電解質型燃料電池、200℃付近で作動する燐酸電解質型燃料電池、常温から100℃以下で作動するアルカリ電解質型燃料電池及び高分子電解質型燃料電池等が含まれる。   A fuel cell is composed of an anode and a cathode, which are electrodes, and an electrolyte or the like provided between them. Hydrogen gas or methanol is used as a fuel, oxygen gas or air is used as an oxidant, and these are electrically connected. It is a power generation system that directly converts energy generated by chemical reaction into electrical energy. These include a molten carbonate electrolyte fuel cell that operates at a high temperature of 500 to 700 ° C., a phosphoric acid electrolyte fuel cell that operates near 200 ° C., an alkaline electrolyte fuel cell that operates from room temperature to 100 ° C. and a polymer electrolyte. Type fuel cells and the like.

以下、高分子電解質型燃料電池を例に挙げて説明する。   Hereinafter, a polymer electrolyte fuel cell will be described as an example.

高分子電解質型燃料電池は、さらに細分すれば、水素ガスを燃料として使用する水素イオン交換膜燃料電池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell)と、液状のメタノールを直接燃料としてアノードに供給して使用する直接メタノール型燃料電池(Direct Methanol Fuel Cell)等がある。   The polymer electrolyte fuel cell can be further subdivided into a hydrogen ion exchange membrane fuel cell that uses hydrogen gas as a fuel, and a direct use that supplies liquid methanol directly to the anode as fuel. There is a methanol fuel cell (Direct Methanol Fuel Cell).

高分子電解質型燃料電池は、化石エネルギーを代替することができる未来型清浄エネルギー源として、出力密度及びエネルギー転換効率が高く、常温で作動が可能であり、また小型化が可能なので、無公害自動車、家庭用発電システム、移動通信装備の携帯用電源、医療機器、及び軍事用装備等の分野に非常に幅広い応用の可能性を有する。   The polymer electrolyte fuel cell is a futuristic clean energy source that can replace fossil energy, has high power density and energy conversion efficiency, can be operated at room temperature, and can be downsized. It has the potential for a very wide range of applications in fields such as household power generation systems, portable power supplies for mobile communication equipment, medical equipment, and military equipment.

このような高分子電解質型燃料電池は、電解質膜にプロトン伝導性固体高分子膜を用い、この電解質膜を介して、拡散層である多孔性カーボンペーパー上に触媒を担持させた炭素粒子を塗布してなるカソード極とアノード極を接合し、アノード側には燃料を供給するための流路溝を有するアノード極側セパレータが設けられ、カソード側には酸化剤ガスとしての空気を供給するための流路溝を有するカソード側セパレータが設けられた構造を取っている。(特許文献1参照)
アノード極とカソード極は、各々の反応物の供給及び拡散のための拡散層と反応物の酸化/還元反応が生じる触媒層とを有する電極である。
In such a polymer electrolyte fuel cell, a proton conductive solid polymer membrane is used as an electrolyte membrane, and carbon particles carrying a catalyst are applied to porous carbon paper as a diffusion layer through the electrolyte membrane. An anode electrode separator having a flow channel for supplying fuel is provided on the anode side, and air as an oxidant gas is supplied to the cathode side. It has a structure in which a cathode separator having a channel groove is provided. (See Patent Document 1)
The anode electrode and the cathode electrode are electrodes each having a diffusion layer for supplying and diffusing each reactant and a catalyst layer in which an oxidation / reduction reaction of the reactant occurs.

アノード極の拡散層は、アノード極の触媒層を支持するとともに、セパレータに電子を受け渡す電極としての役割を持つ。アノード触媒層は触媒の作用により電気化学反応を生じさせて起電力を生じる作用を担う。   The diffusion layer of the anode electrode serves as an electrode that supports the catalyst layer of the anode electrode and delivers electrons to the separator. The anode catalyst layer has an action of generating an electromotive force by causing an electrochemical reaction by the action of the catalyst.

電解質膜はアノード極の触媒層で生じた水素イオンをカソード側に拡散させる一方、電子を通しにくいという作用効果を有し、この効果により起電力を発生する。   The electrolyte membrane has an effect of diffusing hydrogen ions generated in the catalyst layer of the anode electrode to the cathode side, while preventing the passage of electrons, and generates an electromotive force due to this effect.

カソード極の拡散層は、燃料電池の還元反応のためのカソード極の触媒層を担持すると共に、セパレータから電子を受け取る電極としての機能を有する。   The cathode diffusion layer carries a cathode catalyst layer for the reduction reaction of the fuel cell and functions as an electrode for receiving electrons from the separator.

セパレータは、燃料電池ユニットを積層したときに、互いに隣接するカソード極とアノード極とでそれぞれ生じる燃料や酸化剤の流れや化学反応を分離する機能を有する。また、発生した電気を外部回路に流す導体となる。   The separator has a function of separating the flow and chemical reaction of fuel and oxidant generated at the cathode electrode and the anode electrode adjacent to each other when the fuel cell units are stacked. Moreover, it becomes a conductor which flows the generated electricity to an external circuit.

一般に、水素を燃料として使用する水素イオン交換膜燃料電池は、エネルギー密度が大きいという長所を有しているが、水素ガスの取扱に注意を要し、燃料ガスである水素を生産するためにメタンやメタノール及び天然ガス等を改質するための燃料改質装置等の付帯設備を必要とする問題点がある。   In general, hydrogen ion exchange membrane fuel cells that use hydrogen as a fuel have the advantage of high energy density. However, care must be taken when handling hydrogen gas, and methane must be used to produce hydrogen as a fuel gas. In addition, there is a problem that ancillary facilities such as a fuel reformer for reforming methanol, natural gas, and the like are required.

これに対し、直接メタノール型燃料電池は水素ガス等を用いた気体型燃料電池に比べてエネルギー密度は低いが、取扱容易性、低い運転温度、付加的な燃料改質装置が不要であること等の長所に基づいて、小型及び汎用の移動用電源に適するシステムとして認められている。   In contrast, a direct methanol fuel cell has a lower energy density than a gas fuel cell using hydrogen gas or the like, but it is easy to handle, has a low operating temperature, and does not require an additional fuel reformer. Based on these advantages, it is recognized as a system suitable for small and general-purpose mobile power supplies.

次に、燃料電池の起電力発生に寄与する化学反応やその問題点について、直接メタノール型燃料電池を例に挙げて説明する。以下の説明でアノード拡散層とアノード触媒層を併せてアノード極、カソード拡散層とカソード触媒層を併せてカソード極という場合がある。なお電池では一般に定義されているように、燃料電池においてもアノード極が外部回路に対してマイナスの電位を持つ電極であり、カソード極が外部回路に対してプラスの電位を持つ電極として働く。   Next, the chemical reaction contributing to the generation of electromotive force in the fuel cell and its problems will be described by taking a direct methanol fuel cell as an example. In the following description, the anode diffusion layer and the anode catalyst layer may be collectively referred to as an anode electrode, and the cathode diffusion layer and the cathode catalyst layer may be collectively referred to as a cathode electrode. In addition, as generally defined in a battery, also in a fuel cell, the anode electrode is an electrode having a negative potential with respect to the external circuit, and the cathode electrode functions as an electrode having a positive potential with respect to the external circuit.

直接メタノール型燃料電池のアノード極では、メタノール酸化反応が起こって水素イオンと電子とを生成し、生成した水素イオンは電解質膜を通ってカソード極に移動する。カソード極に移動した水素イオンは酸素と反応する、すなわち、還元が生ずる。アノード極から外部回路を経由してカソード極に移動する電子に基づく起電力(electromotive force)が燃料電池のエネルギー発生源になる。下記反応式はアノード極とカソード極で生ずる反応及び燃料電池ユニットで生ずる全反応を示す。
アノード極における反応とアノード側の起電力は、
CH3OH+H2O → CO2+6H++6e- Ea=0.04V
カソード極における反応とカソード側の起電力は、
3/2O2+6H++6e-→ 3H2O Ec=1.23V
従って、燃料電池ユニット全体の反応と起電力は、
CH3OH+3/2O2→ CO2+2H2O Ecell=1.19V
上記直接メタノール燃料電池は、電極に電池特性が左右される。即ち、アノード極における酸化反応とカソード極における還元反応は、主にアノード極及びカソード極に含まれる触媒層と電解質膜との界面で進行するため、該界面へのメタノール及び酸素などの反応物の供給と、生成する二酸化炭素及び水などの電極からの排出は、反応効率と出力の経時安定性の面で重要な因子となる。
In the anode electrode of the direct methanol fuel cell, a methanol oxidation reaction occurs to generate hydrogen ions and electrons, and the generated hydrogen ions move to the cathode electrode through the electrolyte membrane. Hydrogen ions moved to the cathode electrode react with oxygen, that is, reduction occurs. An electromotive force based on electrons moving from the anode electrode to the cathode electrode via an external circuit becomes an energy generation source of the fuel cell. The following reaction formula shows the reaction that occurs at the anode and cathode and the total reaction that occurs at the fuel cell unit.
The reaction at the anode and the electromotive force on the anode side are
CH 3 OH + H 2 O → CO 2 + 6H + + 6e Ea = 0.04V
The reaction at the cathode and the electromotive force on the cathode side are
3 / 2O 2 + 6H + + 6e → 3H 2 O Ec = 1.23V
Therefore, the reaction and electromotive force of the entire fuel cell unit are
CH 3 OH + 3 / 2O 2 → CO 2 + 2H 2 O Ecell = 1.19V
In the direct methanol fuel cell, battery characteristics are affected by the electrode. That is, the oxidation reaction at the anode electrode and the reduction reaction at the cathode electrode proceed mainly at the interface between the catalyst layer and the electrolyte membrane contained in the anode and cathode electrodes. Supply and discharge from the electrodes such as carbon dioxide and water produced are important factors in terms of reaction efficiency and output stability over time.

また、直接メタノール型燃料電池の全性能は、アノード極の反応速度が遅いためアノード極の触媒層の性能により大きく影響を受ける。従って、実用化のためにはメタノール酸化反応のための優れた触媒の開発と反応制御が非常に重要である。   In addition, the overall performance of the direct methanol fuel cell is greatly affected by the performance of the catalyst layer of the anode electrode because the reaction rate of the anode electrode is slow. Therefore, for practical use, it is very important to develop an excellent catalyst for the methanol oxidation reaction and to control the reaction.

アノード極上の酸化反応における問題として触媒毒が知られている。すなわち、メタノールが白金表面に電気的に吸着(electroadsorption)し酸化されて水素イオン及び電子を発生させる間に、一酸化炭素が白金に線形に結合して白金の触媒作用を減殺する触媒毒が生ずる。白金にルテニウムを組み合わせることにより、白金触媒の一酸化炭素の触媒毒作用に対する耐性が向上することが報告された。その報告のなかで、望ましい原子比率は50:50であった(例えば、非特許文献1参照。)。こうした一酸化炭素に対する耐性向上は、メタノールが白金に吸着する化学ポテンシャルにおいて、ルテニウムが水分子を吸着する能力に基づいている。こうした二機能メカニズムは、遷移金属の相互作用による触媒活性の促進を説明するものであり、次のように表される。
Pt−CO+Ru−OH → Pt+Ru+CO2+H++e-
直接メタノール型燃料電池においては、アノード極の触媒層は白金−ルテニウム(PtRu)二元合金触媒を用いて主として開発されており、一部は既に商用化されている。従って、多くの研究が、白金を基本とする二元系アノード触媒(Pt−Mo,Pt−W,Pt−Sn,又はPt−Os等)と、白金−ルテニウムを基本とした3元系触媒(Pt−Ru−Os,Pt−Ru−Ni等)に集中しているのが実情である。
国際公開2001/092151号パンフレット D.Chu and S.Gillman, J,Electrochem.Soc.1996,143,1685
A catalyst poison is known as a problem in the oxidation reaction on the anode electrode. That is, while methanol is electrically adsorbed on the platinum surface and oxidized to generate hydrogen ions and electrons, a catalytic poison that carbon dioxide binds linearly to platinum and diminishes its catalytic action. . It has been reported that the combination of ruthenium with platinum improves the platinum catalyst's resistance to the catalytic poisoning effect of carbon monoxide. In that report, the desirable atomic ratio was 50:50 (see, for example, Non-Patent Document 1). Such improved resistance to carbon monoxide is based on the ability of ruthenium to adsorb water molecules at the chemical potential of methanol adsorbing to platinum. Such a bifunctional mechanism explains the promotion of catalytic activity by the interaction of transition metals and is expressed as follows.
Pt—CO + Ru—OH → Pt + Ru + CO 2 + H + + e
In the direct methanol fuel cell, the catalyst layer of the anode electrode has been mainly developed using a platinum-ruthenium (PtRu) binary alloy catalyst, and a part thereof has already been commercialized. Therefore, many studies have shown that platinum-based binary anode catalysts (Pt-Mo, Pt-W, Pt-Sn, Pt-Os, etc.) and platinum-ruthenium-based ternary catalysts ( The actual situation is concentrated on Pt-Ru-Os, Pt-Ru-Ni, and the like.
International Publication No. 2001/092151 Pamphlet D. Chu and S.H. Gillman, J, Electrochem. Soc. 1996, 143, 1685

特許文献1は、拡散層である多孔性カーボンペーパー上に触媒を担持させた炭素粒子を塗布することにより触媒層を形成させ、アノード極、カソード極を作製するという工程をとる。   Patent Document 1 takes a process of forming an anode electrode and a cathode electrode by forming a catalyst layer by applying carbon particles carrying a catalyst on porous carbon paper as a diffusion layer.

したがって、拡散層、触媒層とも空孔の形状が不揃いで空孔径は、広い分布を持っているので、空孔径の小さな部分においては、酸素やメタノールなどの反応物及び水や二酸化炭素などの反応生成物の移動・拡散効率が低く、出力の経時安定性が得られなかった。   Therefore, the pore shape is not uniform in both the diffusion layer and the catalyst layer, and the pore diameter has a wide distribution. Therefore, in the portion where the pore diameter is small, a reaction product such as oxygen or methanol and a reaction such as water or carbon dioxide. The transfer / diffusion efficiency of the product was low, and output stability over time could not be obtained.

また、触媒層においては、空孔径の大きな部分において、反応物が未反応の状態で触媒層を通過してしまい、電解質膜へ移動し、電解質膜の劣化を引き起こしていた。このことが反応効率を低下及び燃料電池の出力の経時安定性を低下させる要因になっていることがわかった。   Further, in the catalyst layer, the reactants pass through the catalyst layer in an unreacted state in a portion having a large pore diameter, and move to the electrolyte membrane, causing deterioration of the electrolyte membrane. It has been found that this is a factor that lowers the reaction efficiency and lowers the stability of the output of the fuel cell over time.

また、非特許文献1に開示された触媒の工夫によっても、燃料電池を長時間運転しつづけた場合にメタノールの酸化反応の制御が難しく、未反応のメタノールや不完全な分解物が触媒層を通過して、電解質膜へ移動し、電解質膜の劣化を引き起こしていた。   In addition, even when the catalyst disclosed in Non-Patent Document 1 is used, it is difficult to control the oxidation reaction of methanol when the fuel cell is operated for a long time. It passed through and moved to the electrolyte membrane, causing deterioration of the electrolyte membrane.

本発明は上記の事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、酸化反応や還元反応を効率よく進行させて、出力の経時安定性に優れた燃料電池用電極及び燃料電池を提供することにある。   The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide an electrode for a fuel cell and a fuel cell excellent in output aging stability by efficiently proceeding an oxidation reaction or a reduction reaction. It is in.

上記の本発明の目的は以下の構成によって達成することが出来る。
(請求項1)
中空炭素繊維の集合体を含有することを特徴とする燃料電池用電極。
(請求項2)
前記中空炭素繊維の集合体は、その空孔の内部に触媒を担持していることを特徴とする請求項1に記載の燃料電池用電極。
(請求項3)
前記中空炭素繊維の集合体における前記空孔の平均直径が、100nm以上1mm未満であることを特徴とする請求項2に記載の燃料電池用電極。
(請求項4)
アノード極及びカソード極の少なくとも一方が、請求項1乃至3のいずれか1項に記載の燃料電池用電極を用いたことを特徴とする燃料電池。
(請求項5)
前記燃料電池は、直接メタノール燃料電池であることを特徴とする請求項4に記載の燃料電池。
The object of the present invention can be achieved by the following constitution.
(Claim 1)
A fuel cell electrode comprising an assembly of hollow carbon fibers.
(Claim 2)
2. The fuel cell electrode according to claim 1, wherein the hollow carbon fiber aggregate has a catalyst supported inside its pores. 3.
(Claim 3)
3. The fuel cell electrode according to claim 2, wherein an average diameter of the pores in the hollow carbon fiber aggregate is 100 nm or more and less than 1 mm.
(Claim 4)
A fuel cell using the fuel cell electrode according to any one of claims 1 to 3 as at least one of an anode electrode and a cathode electrode.
(Claim 5)
The fuel cell according to claim 4, wherein the fuel cell is a direct methanol fuel cell.

本発明者らは、中空炭素繊維の集合体を含有することを特徴とする燃料電池用電極を用いることにより、空孔の形状や方向、及び空孔径を揃えることが可能になり、電極内での燃料及び酸化剤の反応物の拡散性が向上し、触媒と電解質膜との界面に燃料及び酸化剤が十分に供給され、また、電極反応により生成した水や二酸化炭素の反応生成物の拡散性が向上し、速やかに反応系外に排出されることにより、十分な出力の経時安定性が得られる燃料電池を提供することが出来る。   By using a fuel cell electrode characterized by containing an aggregate of hollow carbon fibers, the present inventors can align the shape and direction of the pores, and the pore diameter. The diffusibility of the reaction product of the fuel and oxidant is improved, the fuel and the oxidant are sufficiently supplied to the interface between the catalyst and the electrolyte membrane, and the reaction product of water and carbon dioxide generated by the electrode reaction is diffused. Thus, a fuel cell can be provided in which a sufficient output stability over time can be obtained by being discharged out of the reaction system promptly.

また、特に触媒層に用いた場合には、酸素やメタノールなどの反応物が未反応の状態で触媒層を通過しないように燃料及び反応ガスの拡散性を制御することができ、酸化反応や還元反応を効率よく進行させることにより、燃料電池の出力の経時安定性を向上させることができると考え、本発明に至った。   In particular, when used in the catalyst layer, the diffusibility of the fuel and reaction gas can be controlled so that reactants such as oxygen and methanol do not pass through the catalyst layer in an unreacted state. It was considered that the time-dependent stability of the output of the fuel cell can be improved by efficiently advancing the reaction, and the present invention has been achieved.

本発明に係る燃料電池用電極は、空孔の形状や方向、及び空孔径を揃えることが可能になり、燃料電池に用いた際に出力の経時安定性に優れる。   The fuel cell electrode according to the present invention can make the shape and direction of the pores and the pore diameter uniform, and is excellent in output stability over time when used in a fuel cell.

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

まず、本発明に係る燃料電池の実施の形態について図面を参照しながら説明する。図1は、本発明に係る燃料電池の単セルIの基本構成を示す概略図である。符号1は電解質膜、符号2はアノード極触媒層、符号3はカソード極触媒層、符号4はアノード極拡散層、符号5はカソード極拡散層、符号6はアノード極側セパレータ、符号7はカソード極側セパレータ、符号8は燃料流路、符号9は酸化剤流路を表す。   First, an embodiment of a fuel cell according to the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a schematic diagram showing a basic configuration of a single cell I of a fuel cell according to the present invention. Reference numeral 1 is an electrolyte membrane, reference numeral 2 is an anode electrode catalyst layer, reference numeral 3 is a cathode electrode catalyst layer, reference numeral 4 is an anode electrode diffusion layer, reference numeral 5 is a cathode electrode diffusion layer, reference numeral 6 is an anode electrode side separator, and reference numeral 7 is a cathode. The pole separator, reference numeral 8 represents a fuel flow path, and reference numeral 9 represents an oxidant flow path.

ここでは便宜上、拡散層4とその上に設けられたアノード極側触媒層2を含めてアノード極と称し、拡散層5とその上に設けられたカソード極側触媒層3を含めてカソード極と称する。   Here, for the sake of convenience, the diffusion layer 4 and the anode electrode side catalyst layer 2 provided thereon are referred to as an anode electrode, and the diffusion layer 5 and the cathode electrode side catalyst layer 3 provided thereon are referred to as a cathode electrode. Called.

図1に示すように電解質膜1をアノード極とカソード極とにより接合した接合体の外側に、アノード極側セパレータ6とカソード極側セパレータ7とを配置している。これらを接合することにより、単セルIを形成している。この単セルを複数個、場合によっては図示していない冷却板を介して積層することにより、燃料電池が構成される。   As shown in FIG. 1, an anode electrode side separator 6 and a cathode electrode side separator 7 are disposed outside a joined body in which the electrolyte membrane 1 is bonded by an anode electrode and a cathode electrode. By joining these, the single cell I is formed. A fuel cell is constructed by laminating a plurality of such single cells via a cooling plate (not shown).

本発明は、中空炭素繊維の集合体を含有することを特徴とする燃料電池用電極を燃料電池のアノード極及びカソード極の少なくとも一方の電極に用いることに特徴がある。   The present invention is characterized in that an electrode for a fuel cell containing an aggregate of hollow carbon fibers is used as at least one of an anode electrode and a cathode electrode of a fuel cell.

本発明においては、アノード極、カソード極を構成する拡散層、触媒層の少なくとも1層に本発明の中空炭素繊維の集合体を含有させることにより効果が得られる。   In the present invention, the effect can be obtained by including the aggregate of the hollow carbon fibers of the present invention in at least one of the diffusion layer and the catalyst layer constituting the anode electrode, the cathode electrode.

拡散層4、5は、アノード極側触媒層2及びカソード極側触媒層3への燃料及び酸化剤などの反応物の供給、反応により生成する水及び二酸化炭素などの反応生成物の排出、ならびに発生した電子を集電体であるセパレータへ受け渡す機能を有する層である。この拡散層は、必ずしも必要ではないが、あれば、触媒層を支持する機能を担保することができ、また、より効果的に反応物質の供給と電子の授受を行うことが出来る。   The diffusion layers 4 and 5 supply the reactants such as fuel and oxidant to the anode electrode side catalyst layer 2 and the cathode electrode side catalyst layer 3, discharge of reaction products such as water and carbon dioxide generated by the reaction, and This is a layer having a function of delivering generated electrons to a separator as a current collector. Although this diffusion layer is not necessarily required, if it is present, the function of supporting the catalyst layer can be ensured, and the supply of reactants and the transfer of electrons can be performed more effectively.

次に、本発明に係る中空炭素繊維の集合体について図面を参照しながら説明する。図2(a)は、1本の中空炭素繊維の斜視図であり、図2(b)は、中空炭素繊維の集合体の概略を示す斜視図であり、図2(c)は、中空炭素繊維を電極としての形状に束ねた中空炭素繊維の集合体を所定厚さに切断した状態を示す斜視図であり、図中の矢印1を、電解質膜側、矢印6または7をセパレータ側として、図1の燃料電池の電極に用いることができる。図2(a)〜(c)中の符号10は空孔、符号11は炭素繊維の集合体を表す。   Next, the aggregate of hollow carbon fibers according to the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 2 (a) is a perspective view of one hollow carbon fiber, FIG. 2 (b) is a perspective view schematically showing an assembly of hollow carbon fibers, and FIG. 2 (c) is a hollow carbon fiber. FIG. 2 is a perspective view showing a state in which an aggregate of hollow carbon fibers bundled in a shape as an electrode is cut into a predetermined thickness, with an arrow 1 in the figure as an electrolyte membrane side and an arrow 6 or 7 as a separator side, It can be used for the electrode of the fuel cell of FIG. 2 (a) to 2 (c), reference numeral 10 represents a hole, and reference numeral 11 represents an aggregate of carbon fibers.

本発明において、中空炭素繊維の集合体とは、炭素繊維の繊維軸方向に長く伸びる空孔が設けられた中空炭素繊維を束ねたものをいう。   In the present invention, the aggregate of hollow carbon fibers refers to a bundle of hollow carbon fibers provided with pores extending long in the fiber axis direction of the carbon fibers.

この中空炭素繊維の集合体を製造するには、中空炭素材料を束ねて接着し、平板に切り出せばよい。あるいは、不活性雰囲気下600℃以上の高温度で焼成した時に炭素を30%以上生成する有機材料でできた中空繊維を束ねて不活性雰囲気で焼成を行い炭化物にした後、平板に切り出しても良い。特に好ましい製造方法を以下に示す。   In order to produce this aggregate of hollow carbon fibers, the hollow carbon materials may be bundled and bonded and cut out into a flat plate. Alternatively, a hollow fiber made of an organic material that produces 30% or more of carbon when fired at a high temperature of 600 ° C. or higher in an inert atmosphere is bundled and fired in an inert atmosphere to form a carbide, and then cut into a flat plate. good. A particularly preferred production method is shown below.

未硬化ノボラック樹脂を用いて、押し出しにより中空繊維を製造可能な、吐出口をドーナツ形状とした口金を用いて中空連続繊維を製造する。この場合、ドーナツ形状の内径が中空径に相当する。紡糸後硬化させて得た硬化ノボラック樹脂繊維を10cm角に束ねて不活性ガス中500℃以上で炭化することにより繊維軸方向に穴があいた中空炭素繊維が束ねられた棒を製造できる。この棒から繊維軸方向に垂直に切り出すと本発明の中空炭素繊維の集合体を製造することができる。   Using a non-cured novolac resin, a hollow continuous fiber is produced using a die having a doughnut-shaped discharge port that can produce a hollow fiber by extrusion. In this case, the inner diameter of the donut shape corresponds to the hollow diameter. Cured novolak resin fibers obtained by curing after spinning are bundled into 10 cm squares and carbonized in an inert gas at 500 ° C. or higher to produce a rod in which hollow carbon fibers having holes in the fiber axis direction are bundled. When the rod is cut perpendicularly to the fiber axis direction, the hollow carbon fiber assembly of the present invention can be produced.

本発明に用いられる未硬化ノボラック樹脂とは例えばフェノールの他にアルキルフェノール類や他の置換フェノール類、多価フェノール類とホルムアルデヒド、パラホルムアルデヒド等のアルデヒド類を原料とし、一般に知られている常法により酸性触媒下において反応せしめて得られるものである。   The uncured novolak resin used in the present invention is, for example, alkylphenols, other substituted phenols, polyhydric phenols and aldehydes such as formaldehyde and paraformaldehyde as raw materials in addition to phenol, and a generally known conventional method. It is obtained by reacting under an acidic catalyst.

炭化物の導電性をより高められるという点で、樹脂中に易黒鉛化炭素粉末を混合することが好ましい。また、延伸しながら炭化を進める方法も好ましい。ただし、炭化する際の焼成温度については、800℃以上が好ましくさらに好ましくは1200℃以上である。   It is preferable to mix graphitizable carbon powder in the resin in that the conductivity of the carbide can be further increased. Moreover, the method of advancing carbonization while extending | stretching is also preferable. However, the firing temperature for carbonization is preferably 800 ° C. or higher, more preferably 1200 ° C. or higher.

本発明の電極は、アノード極にもカソード極にも用いることが可能であるが、アノード極に用いられた時に最も効果を発揮する。また、本発明の電極に含まれる中空炭素繊維の集合体は、電解質膜の平面に垂直に空孔が形成されていることがこのましく、空孔の数は、燃料電池の出力の経時安定性をより高める観点から10個/cm2以上が好ましい。また、電極の強度をより高める観点から1010個/cm2未満が好ましい。より好ましい空孔の個数は、102個/cm2以上108個/cm2未満である。 The electrode of the present invention can be used for both the anode and the cathode, but is most effective when used for the anode. In addition, the aggregate of hollow carbon fibers contained in the electrode of the present invention is preferably formed with pores perpendicular to the plane of the electrolyte membrane, and the number of pores is stable over time with respect to the output of the fuel cell. From the viewpoint of further improving the properties, 10 pieces / cm 2 or more is preferable. Further, from the viewpoint of further increasing the strength of the electrode, it is preferably less than 10 10 / cm 2 . A more preferable number of holes is 10 2 / cm 2 or more and less than 10 8 / cm 2 .

また、本発明における電極は、中空炭素繊維の集合体を含有していればよく、本発明においては、アノード極、カソード極を構成する拡散層、触媒層の少なくとも1層に本発明の中空炭素繊維の集合体を含有させることにより効果が得られる。   Moreover, the electrode in the present invention only needs to contain an aggregate of hollow carbon fibers. In the present invention, the hollow carbon of the present invention is included in at least one of the diffusion layer and the catalyst layer constituting the anode electrode, the cathode electrode. An effect is acquired by containing the aggregate of fibers.

拡散層に本発明の中空炭素繊維の集合体を用いる場合には、拡散層となる本発明の中空炭素繊維の集合体における電解質膜と接する部分の平面部に、白金触媒を担持したカーボン粒子を塗布し、熱処理して触媒層を形成して電極とするか、あるいは、触媒層のペーストを電解質膜へ塗布した後、拡散層となる本発明の中空炭素繊維の集合体とホットプレスして一体化する方法などがある。   When the aggregate of hollow carbon fibers of the present invention is used for the diffusion layer, carbon particles carrying a platinum catalyst are formed on the flat portion of the portion in contact with the electrolyte membrane in the aggregate of hollow carbon fibers of the present invention that becomes the diffusion layer. Apply and heat-treat to form a catalyst layer to make an electrode, or apply the paste of the catalyst layer to the electrolyte membrane, and then hot press with the hollow carbon fiber assembly of the present invention to become the diffusion layer There is a way to make it.

触媒層を形成するための触媒インクは、触媒金属又は触媒金属担持カーボン、プロトン伝導性高分子電解質等を含む溶液と、有機溶媒−水の混合溶媒を添加して、超音波分散機を用いて均一に分散させた分散液の形態で供給されることが好ましい。プロトン伝導性高分子電解質としては、後述するプロトン伝導性固体高分子膜に用いる材料を使用できる。   The catalyst ink for forming the catalyst layer is prepared by adding a solution containing catalyst metal or catalyst metal-supported carbon, proton conductive polymer electrolyte, and the like, and a mixed solvent of an organic solvent and water, and using an ultrasonic disperser. It is preferably supplied in the form of a uniformly dispersed dispersion. As the proton conductive polymer electrolyte, materials used for the proton conductive solid polymer membrane described later can be used.

有機溶媒としては、メタノール、エタノール、1−プロパノール、2−プロパノール、エチレングリコール、ジエチレングリコール等のアルコール類、アセトン、メチルエチルケトン、ジメチルホルムアミド、ジメチルイミダゾリジノン、ジメチルスルホキシド、ジメチルアセトアミド、N−メチルピロリドン、プロピレンカーボネート、酢酸エチルや酢酸ブチル等のエステル類、芳香族系あるいはハロゲン系の種々の溶媒が挙げられ、単独あるいは混合物として用いることが出来る。   Organic solvents include alcohols such as methanol, ethanol, 1-propanol, 2-propanol, ethylene glycol, diethylene glycol, acetone, methyl ethyl ketone, dimethylformamide, dimethylimidazolidinone, dimethyl sulfoxide, dimethylacetamide, N-methylpyrrolidone, propylene Examples include carbonates, esters such as ethyl acetate and butyl acetate, and aromatic or halogen-based solvents, which can be used alone or as a mixture.

中空炭素繊維の集合体における空孔の平均直径は、空孔内部における反応物や反応生成物の拡散性、移動性をより高める観点から100nm以上がこのましい。また、毛細管現象をより効果的に活用するために、1mm未満が好ましい。また、より好ましくは、0.1mm以上1mm未満である。   The average diameter of the pores in the aggregate of hollow carbon fibers is preferably 100 nm or more from the viewpoint of further improving the diffusibility and mobility of the reactants and reaction products inside the pores. Moreover, in order to utilize a capillary phenomenon more effectively, less than 1 mm is preferable. More preferably, it is 0.1 mm or more and less than 1 mm.

ここで、空孔形状が円でない場合の空孔径は、面積が同等の円相当の直径を指す。平均直径とは、中空炭素繊維の集合体を構成する複数の炭素繊維の空孔径の平均値である。
また、空孔の平均直径は、例えば、中空炭素繊維の集合体を電子顕微鏡で観察することにより測定できる。
Here, the hole diameter when the hole shape is not a circle refers to a diameter corresponding to a circle having an equivalent area. The average diameter is an average value of the pore diameters of a plurality of carbon fibers constituting the aggregate of hollow carbon fibers.
The average diameter of the pores can be measured, for example, by observing an aggregate of hollow carbon fibers with an electron microscope.

カーボン粒子としては、活性炭、カーボンブラック、グラファイト及びそれらの混合物を好ましく採用することができる。   As the carbon particles, activated carbon, carbon black, graphite and a mixture thereof can be preferably used.

例えばカーボンブラックとしては、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、ファーネスブラック、ランプブラック、サーマルブラック等が挙げられ、Denka BLACK(電気化学工業社製)、Valcan XC−72(キャボット社製)、Black Pearl 2000(同前)、Ketjen Black EC300J(ケェチェンブラック・インターナショナル社製)等市販のものを採用することができる。   Examples of carbon black include acetylene black, ketjen black, furnace black, lamp black, and thermal black. Denka BLACK (manufactured by Denki Kagaku Kogyo Co., Ltd.), Valcan XC-72 (manufactured by Cabot Corporation), Black Pearl 2000 ( The same as before), commercially available products such as Ketjen Black EC300J (manufactured by Ketjenblack International Co., Ltd.) can be used.

担持する貴金属触媒としては、白金、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、イリジウム、金、銀、鉄、コバルト、ニッケル、クロム、タングステン、マガジン、バナジウム、ランタン、ジルコニウム、チタン、マグネシウム又はこれらの多元合金を用いることができ、白金及び白金ルテニウム合金から選ばれる少なくとも1つであることが好ましい。金属触媒径としては、10nm以下が好ましく、5nm以下がより好ましい。   As the noble metal catalyst to be supported, platinum, ruthenium, rhodium, palladium, iridium, gold, silver, iron, cobalt, nickel, chromium, tungsten, magazine, vanadium, lanthanum, zirconium, titanium, magnesium or a multicomponent alloy thereof should be used. Preferably, it is at least one selected from platinum and platinum ruthenium alloys. The metal catalyst diameter is preferably 10 nm or less, and more preferably 5 nm or less.

貴金属触媒をカーボン粒子に担持させるには、例えばカーボン粒子分散液に白金やルテニウム塩を加え、ヒドラジン等を用いて還元し、濾過、乾燥することで得られる。又、更に熱処理を行っても良い。   In order to support the noble metal catalyst on the carbon particles, for example, platinum or ruthenium salt is added to the carbon particle dispersion, reduced using hydrazine or the like, filtered, and dried. Further, heat treatment may be performed.

次に、触媒層に本発明の中空炭素繊維の集合体を用いる場合について説明する。   Next, the case where the aggregate | assembly of the hollow carbon fiber of this invention is used for a catalyst layer is demonstrated.

中空炭素繊維の集合体における空孔の平均直径は、空孔内部に触媒を担持させる容易性から100nm以上がこのましい。また、燃料や酸化剤が未反応のまま電解質膜へ流入するのを抑制する効果をより高める観点から、1mm未満が好ましい。また、より好ましくは、0.1mm以上1mm未満である。ここで、空孔形状が円でない場合の空孔径は、面積が同等の円相当の直径をさす。平均直径とは、電子伝導体層を構成する複数の空孔の空孔径の平均値である。また、空孔の平均直径は、例えば、中空炭素繊維の集合体を電子顕微鏡で観察し、その画像を画像処理することにより、測定できる。   The average diameter of the pores in the aggregate of hollow carbon fibers is preferably 100 nm or more because of the ease of loading the catalyst inside the pores. Moreover, from the viewpoint of further enhancing the effect of suppressing the fuel and the oxidant from flowing into the electrolyte membrane without being reacted, the thickness is preferably less than 1 mm. More preferably, it is 0.1 mm or more and less than 1 mm. Here, the hole diameter when the hole shape is not a circle refers to a diameter corresponding to a circle having an equivalent area. The average diameter is an average value of the hole diameters of a plurality of holes constituting the electron conductor layer. The average diameter of the pores can be measured, for example, by observing an aggregate of hollow carbon fibers with an electron microscope and processing the image.

触媒層に用いる場合、その空孔内部に担持する貴金属触媒としては、白金、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、イリジウム、金、銀、鉄、コバルト、ニッケル、クロム、タングステン、マガジン、バナジウム、ランタン、ジルコニウム、チタン、マグネシウム又はこれらの多元合金を用いることができ、白金及び白金ルテニウム合金から選ばれる少なくとも1つであることが好ましい。金属触媒径としては、10nm以下が好ましく、5nm以下がより好ましい。   When used in the catalyst layer, the noble metal catalyst supported inside the pores is platinum, ruthenium, rhodium, palladium, iridium, gold, silver, iron, cobalt, nickel, chromium, tungsten, magazine, vanadium, lanthanum, zirconium, Titanium, magnesium or a multicomponent alloy thereof can be used, and is preferably at least one selected from platinum and a platinum ruthenium alloy. The metal catalyst diameter is preferably 10 nm or less, and more preferably 5 nm or less.

貴金属触媒を本発明の中空炭素繊維の集合体の空孔内部に担持させるには、酸化処理した中空炭素繊維の集合体を、相対電極を備えた電解槽に位置させる。次いで、約1体積%の0.1MのHCl及び約0.5体積%のエタノールが添加された0.02MのH2PtCl6溶液からなる白金電解析出溶液を前記中空炭素繊維の集合体の平面と接触するように前記電解槽に導入する。次いで、基準電極(SCE)対比−0.5乃至0.0Vの電位領域で四角パルス電位を前記電解析出溶液に印加して0.1乃至10C/cm2の総電荷を流すことにより、前記中空炭素繊維の集合体に白金触媒を析出させる。次いで、前記中空炭素繊維の集合体を純粋な水で充分洗浄した後、熱処理すればよい。 In order to carry the noble metal catalyst inside the pores of the aggregate of hollow carbon fibers of the present invention, the aggregate of hollow carbon fibers subjected to oxidation treatment is placed in an electrolytic cell equipped with a relative electrode. Next, a platinum electrodeposition solution consisting of a 0.02M H 2 PtCl 6 solution to which about 1% by volume of 0.1M HCl and about 0.5% by volume of ethanol were added was added to the hollow carbon fiber assembly. It introduce | transduces into the said electrolytic cell so that a plane may be contacted. Next, by applying a square pulse potential to the electrolytic deposition solution in a potential region of -0.5 to 0.0 V relative to the reference electrode (SCE), a total charge of 0.1 to 10 C / cm 2 is allowed to flow. A platinum catalyst is deposited on the aggregate of hollow carbon fibers. Next, the aggregate of the hollow carbon fibers is sufficiently washed with pure water and then heat-treated.

触媒は、本発明の中空炭素繊維の集合体の空孔部の全体あるいは空孔部の一部、即ち、電解質膜に接する近傍に触媒を担持させればよい。   The catalyst may be supported on the whole or a part of the pores of the aggregate of the hollow carbon fibers of the present invention, that is, in the vicinity in contact with the electrolyte membrane.

また、貴金属触媒を担持した中空炭素繊維の集合体を、プロトン伝導性高分子電解質等を含む溶液に含浸させることにより、空孔内部の触媒層にプロトン伝導性高分子電解質を含浸させてもよい。プロトン伝導性高分子電解質としては、後述するプロトン伝導性固体高分子膜に用いる材料を使用できる。   Further, the catalyst layer in the pores may be impregnated with the proton conductive polymer electrolyte by impregnating the aggregate of hollow carbon fibers carrying the noble metal catalyst with a solution containing a proton conductive polymer electrolyte or the like. . As the proton conductive polymer electrolyte, materials used for the proton conductive solid polymer membrane described later can be used.

本発明の燃料電池に採用できる燃料としては、水素ガス、メタノール、エタノール、1−プロパノール、ジメチルエーテル、アンモニア等が挙げられるが、メタノールが好ましい。   Examples of the fuel that can be used in the fuel cell of the present invention include hydrogen gas, methanol, ethanol, 1-propanol, dimethyl ether, ammonia, and the like, and methanol is preferable.

直接メタノール燃料電池は、燃料としてのメタノール水溶液を改質して水素ガスを取り出すこと無く、液体のまま直接供給することによって発電できるという特徴を有するため、燃料をガス化又は改質して供給する従来からの固体高分子型燃料電池と比べて、発電システムとしての構造をシンプルにでき、小型化、軽量化が容易で、分散型電源、ポータブル電源としての用途が注目されている。   The direct methanol fuel cell has a feature that it can generate electric power by directly supplying a liquid as it is without taking out hydrogen gas by reforming an aqueous methanol solution as a fuel. Therefore, the fuel is gasified or reformed and supplied. Compared to conventional polymer electrolyte fuel cells, the structure as a power generation system can be simplified, and the size and weight can be easily reduced, and the use as a distributed power source and a portable power source has attracted attention.

この様な直接メタノール燃料電池は、例えば、電解質膜にプロトン導電性固体高分子膜を用い、この電解質膜を介して、アノード極とカソード極を接合し、アノード極側には燃料としてのメタノール水溶液を供給するための流路溝を有するアノード極側セパレータが設けられ、カソード極側には酸化剤ガスとしての空気を供給するための流路溝を有するカソード極側セパレータが設けられた構造を取り、アノード極にメタノール水溶液を供給し、カソード極に空気を供給すると、アノード極ではメタノールと水との酸化反応によって炭酸ガスが生成すると共に水素イオンと電子が放出され(CH3OH+H2O→CO2+6H++6e-)、カソード極では電解質膜を通過してきた前記水素イオンと空気との還元反応によって水が生成して(6H++(3/2)O2+6e-→3H2O)、アノード極とカソード極を繋ぐ外部回路に電気エネルギーを得ることができる。従って、直接メタノール燃料電池の全反応は、メタノールと酸素から水と二酸化炭素が生成する反応である。 In such a direct methanol fuel cell, for example, a proton conductive solid polymer membrane is used as an electrolyte membrane, and an anode electrode and a cathode electrode are joined via the electrolyte membrane, and a methanol aqueous solution as a fuel is provided on the anode electrode side. An anode electrode side separator having a channel groove for supplying gas is provided, and a cathode electrode side separator having a channel groove for supplying air as an oxidant gas is provided on the cathode electrode side. When an aqueous methanol solution is supplied to the anode electrode and air is supplied to the cathode electrode, carbon dioxide gas is generated by the oxidation reaction of methanol and water at the anode electrode and hydrogen ions and electrons are released (CH 3 OH + H 2 O → CO 2 + 6H + + 6e -) , the cathode electrode is water produced by the reduction reaction between the hydrogen ions and the air having passed through the electrolyte membrane ( H + + (3/2) O 2 + 6e - → 3H 2 O), it is possible to obtain electrical energy to an external circuit connecting the anode and cathode. Therefore, the total reaction of the direct methanol fuel cell is a reaction in which water and carbon dioxide are generated from methanol and oxygen.

電解質膜1はプロトン伝導性固体高分子膜であり、公知のプロトン伝導性ポリマーを用いることが出来る。プロトン伝導性ポリマーとしては、有機系の含フッ素高分子を骨格とするイオン交換樹脂、例えばパーフルオロカーボンスルフォン酸樹脂等が挙げられる。ナフィオン112(商品名、デュポン社製)、ナフィオン117(商品名、デュポン社製)やDOW膜(商品名、ダウ・ケミカル社製)等として入手出来る。   The electrolyte membrane 1 is a proton conductive solid polymer membrane, and a known proton conductive polymer can be used. Examples of the proton conductive polymer include ion exchange resins having an organic fluorine-containing polymer as a skeleton, such as perfluorocarbon sulfonic acid resins. It can be obtained as Nafion 112 (trade name, manufactured by DuPont), Nafion 117 (trade name, manufactured by DuPont) or DOW membrane (trade name, manufactured by Dow Chemical).

その他にスルホン化ポリエーテルケトン、スルホン化ポリエーテルスルホン、スルホン化ポリエーテルエーテルスルホン、スルホン化ポリスルホン、スルホン化ポリスルフィド、スルホン化ポリフェニレン等のスルホン化プラスチック系電解質、スルホアルキル化ポリエーテルエーテルケトン、スルホアルキル化ポリエーテルスルホン、スルホアルキル化ポリエーテルエーテルスルホン、スルホアルキル化ポリスルホン、スルホアルキル化ポリスルフィド、スルホアルキル化ポリフェニレン等のスルホアルキル化プラスチック系電解質等が有る。なお、これらの電解質材料のスルホン酸当量としては0.5〜2.0ミリ当量/g乾燥樹脂程度、好ましくは0.7〜1.6ミリ当量/g乾燥樹脂である。スルホン酸当量が0.5ミリ当量/g乾燥樹脂より小さい場合はイオン伝導抵抗が大きくなり、2.0ミリ当量/g乾燥樹脂より大きい場合には水に溶解しやすくなる。   In addition, sulfonated polyether ketone, sulfonated polyethersulfone, sulfonated polyetherethersulfone, sulfonated polysulfone, sulfonated polysulfide, sulfonated polyphenylene and other sulfonated plastic electrolytes, sulfoalkylated polyetheretherketone, sulfoalkyl There are sulfoalkylated plastic electrolytes such as sulfonated polyethersulfone, sulfoalkylated polyetherethersulfone, sulfoalkylated polysulfone, sulfoalkylated polysulfide, and sulfoalkylated polyphenylene. The sulfonic acid equivalent of these electrolyte materials is about 0.5 to 2.0 meq / g dry resin, preferably 0.7 to 1.6 meq / g dry resin. When the sulfonic acid equivalent is less than 0.5 meq / g dry resin, the ionic conduction resistance is increased, and when it is greater than 2.0 meq / g dry resin, it is easily dissolved in water.

又、フッ素系電解質材料として、例えば、
一般式 CF2=CF−(OCF2CFX)m−Oq−(CF2)n−A
(式中、m=0〜3、n=0〜12、q=0又は1、X=F又はCF3、A=スルホン酸型官能基)で表されるフロロビニル化合物とテトラフロロエチレン、ヘキサフロロプロピレン、クロロトリフロロエチレン又はパーフロロアルキルビニルエーテルの如きパーフロロオレフィンとの共重合体が挙げられる。フロロビニル化合物の好ましい例としては、例えば、CF2=CFO(CF2)aSO2F、CF2=CFOCF2CF(CF3)O(CF2)aSO2F、CF2=CF(CF2)bSO2F、CF2=CF(OCF2CF(CF3))cO(CF22SO2F(ここに、a=1〜8、b=0〜8、c=1〜5の整数)を用いることも出来る。
Moreover, as a fluorine-type electrolyte material, for example,
Formula CF 2 = CF- (OCF 2 CFX ) m-Oq- (CF 2) n-A
(Wherein, m = 0 to 3, n = 0 to 12, q = 0 or 1, X = F or CF 3 , A = sulfonic acid type functional group), tetrafluoroethylene, hexafluoro And copolymers with perfluoroolefins such as propylene, chlorotrifluoroethylene or perfluoroalkyl vinyl ether. Preferred examples of Furorobiniru compounds, for example, CF 2 = CFO (CF 2 ) aSO 2 F, CF 2 = CFOCF 2 CF (CF 3) O (CF 2) aSO 2 F, CF 2 = CF (CF 2) bSO 2 F, CF 2 = CF (OCF 2 CF (CF 3 )) cO (CF 2 ) 2 SO 2 F (where a = 1 to 8, b = 0 to 8, c = 1 to 5) It can also be used.

電解質膜と本発明の中空炭素繊維の集合体を含有する電極とを接合して製造する方法としては、以下の方法が挙げられる。   Examples of the method for joining and manufacturing the electrolyte membrane and the electrode containing the hollow carbon fiber assembly of the present invention include the following methods.

イ.白金触媒を担持したカーボン粒子を拡散層となる本発明の中空炭素繊維の集合体に塗布し、熱処理して触媒層を形成して電極を形成後、電解質膜とホットプレスして一体化するか、あるいは、触媒層のペーストを電解質膜へ塗布した後、拡散層となる本発明の中空炭素繊維の集合体とホットプレスして一体化する方法。   I. Whether carbon particles carrying a platinum catalyst are applied to the hollow carbon fiber assembly of the present invention as a diffusion layer, heat-treated to form a catalyst layer to form an electrode, and then hot-pressed with the electrolyte membrane for integration Alternatively, after the catalyst layer paste is applied to the electrolyte membrane, it is integrated by hot pressing with the aggregate of the hollow carbon fibers of the present invention to be the diffusion layer.

ロ.本発明の中空炭素繊維の集合体の空孔部の全体あるいは電解質膜に接する近傍に触媒を担持させた後、電解質膜とホットプレスして一体化する方法
特に、ロ.における方法は、別途に拡散層を設ける必要がないので、部品点数を減らすことができるので好ましい。
B. A method in which a catalyst is supported on the whole pore portion of the aggregate of hollow carbon fibers of the present invention or in the vicinity in contact with the electrolyte membrane, and then hot-pressed and integrated with the electrolyte membrane. This method is preferable because it is not necessary to separately provide a diffusion layer, and the number of parts can be reduced.

以上の様にして作製した電解質膜と電極との接合体の外側に、燃料流路と酸化剤流路を形成する溝が形成された燃料配流板(アノード極セパレータ)と、酸化剤配流板(カソード極セパレータ)とを配したものを単セルとし、この単セルを複数個、冷却板等を介して積層することにより、燃料電池が構成される。   A fuel distribution plate (anode electrode separator) in which grooves for forming a fuel flow path and an oxidant flow path are formed outside the assembly of the electrolyte membrane and the electrode produced as described above, and an oxidant flow distribution plate ( A fuel cell is formed by stacking a plurality of single cells via a cooling plate or the like.

実施例により、本発明に係る燃料電池用電極及びそれを用いた燃料電池について、さらに詳細に説明する。しかしながら、本発明は、かかる実施例に制限されるものでないことはいうまでもない。   The fuel cell electrode and the fuel cell using the same according to the present invention will be described in more detail by way of examples. However, it goes without saying that the present invention is not limited to such examples.

(中空炭素繊維の集合体の作製1)
フェノール1.2kg、50%ホルマリン0.6kg、蓚酸3.5gを3リットルのフラスコに仕込み、還流温度で4時間反応させた後、さらに加熱下で真空脱水濃縮を行い軟化点110℃の未硬化ノボラック樹脂1kgを得た。一方、ケッチェンブラックEC600JD(ケッチェンブラックインターナショナル(株))50gと前記未硬化ノボラック樹脂200gとを加熱溶融させ、混合攪拌して未硬化ノボラック樹脂混合物を得た。この未硬化ノボラック樹脂混合物を孔数20、内径(空孔径に相当)0.2mmφ、外径0.3mmφのドーナツ状の吐出口を有する中空紡糸可能な口金を用いて260m/分の速度で溶融紡糸を行い、未硬化ノボラック樹脂混合物繊維を得た。このノボラック樹脂繊維をホルムアルデヒドと塩酸を主成分とした硬化水溶液中に浸漬し、0.5℃/分の速度で95℃まで昇温後、8時間保持して硬化ノボラック樹脂繊維を得た。この繊維を縦20本横20本合計400本重ねてレゾール型フェノールレジン(PRー51107、住友ベークライト(株))で満たした漕の中を通した後、10cm角の鉄片に1cm角の穴をあけ200℃に加熱した冶具の中を1m/分の速度で通過させる。この処理後繊維400本を固めた硬化ノボラック樹脂繊維ができるので長さ30cmに断裁する。30cmに断裁したものをさらに縦10個横10個束ねてカーボン繊維で固定する。この試料をカーボンクロスに包み、窒素気流中、5℃/分の速度で1300℃まで昇温し、1300℃で30分保持した。
(Preparation of hollow carbon fiber assembly 1)
After charging 1.2 kg of phenol, 0.6 kg of 50% formalin and 3.5 g of oxalic acid into a 3 liter flask and reacting for 4 hours at the reflux temperature, vacuum dehydration concentration was further performed under heating, and an uncured softening point of 110 ° C. 1 kg of novolak resin was obtained. On the other hand, 50 g of Ketjen Black EC600JD (Ketjen Black International Co., Ltd.) and 200 g of the uncured novolak resin were heated and melted, mixed and stirred to obtain an uncured novolak resin mixture. This uncured novolac resin mixture was melted at a speed of 260 m / min using a spinnerable die having a donut-shaped discharge port having 20 holes, an inner diameter (corresponding to a hole diameter) of 0.2 mmφ, and an outer diameter of 0.3 mmφ. Spinning was performed to obtain an uncured novolac resin mixture fiber. This novolak resin fiber was immersed in a hardening aqueous solution mainly composed of formaldehyde and hydrochloric acid, heated to 95 ° C. at a rate of 0.5 ° C./min, and held for 8 hours to obtain a hardening novolak resin fiber. A total of 400 fibers, 20 in length and 20 in width, were passed through a bag filled with a resol type phenol resin (PR-51107, Sumitomo Bakelite Co., Ltd.), and then a 1 cm square hole was formed in a 10 cm square iron piece. It passes through a jig heated to 200 ° C. at a speed of 1 m / min. After this treatment, a cured novolac resin fiber in which 400 fibers are hardened is formed, and is cut to a length of 30 cm. Further, 10 cuts of 10 by 10 are cut into 30 cm and fixed with carbon fiber. This sample was wrapped in carbon cloth, heated to 1300 ° C. at a rate of 5 ° C./min in a nitrogen stream, and held at 1300 ° C. for 30 minutes.

出来上がった炭化物をダイヤモンドカッターで繊維軸に垂直に3mm厚に断裁し、10cm角の炭素電極を作製する。電子顕微鏡で観察したところ表面から裏面へ貫通した平均直径0.2mmφで孔数が平均1089個/cm2の穴が空いていた。孔径のばらつきもほとんどなく、均一性の高い空孔が形成されていた。 The finished carbide is cut to a thickness of 3 mm perpendicular to the fiber axis with a diamond cutter to produce a 10 cm square carbon electrode. When observed with an electron microscope, holes with an average diameter of 0.2 mmφ and an average number of holes of 1089 / cm 2 penetrating from the front surface to the back surface were formed. There was almost no variation in hole diameter, and highly uniform holes were formed.

また表面比抵抗を測定したところ、0.1Ωcmであり、燃料電池用電極として最適であることがわかった。   Further, when the surface specific resistance was measured, it was found to be 0.1 Ωcm, and it was found to be optimal as a fuel cell electrode.

(中空炭素繊維の集合体の作製2)
フェノール1.2kg、50%ホルマリン0.6kg、蓚酸3.5gを3リットルのフラスコに仕込み、還流温度で4時間反応させた。その後、加熱下で反応物内部温度が200℃に上昇するまで真空脱水濃縮を行った後、フラスコ内にケッチェンブラックEC600JD(ケッチェンブラックインターナショナル(株))50gを加え、溶融混合攪拌して未硬化ノボラック樹脂を得た。混合する前のフラスコ内の未硬化ノボラック樹脂重量は1kgであった。得られた混合後の樹脂を孔数20、内径(空孔径に相当)0.4mmφ、外径0.6mmφのドーナツ状の吐出口を有する口金から吐出量0.3g/分・Holeで吐出させ、110℃の加熱空気流を30リットル/分・Holeの流量で幅0.3mmのスリットより流し、いわゆるメルトブローン法により紡糸した。該未硬化ノボラック樹脂繊維をホルムアルデヒドと塩酸を主成分とした硬化水溶液中に浸漬し、0.5℃/分の速度で95℃まで昇温後、8時間保持して硬化ノボラック樹脂繊維を得た。電子顕微鏡でこの繊維を観察したところ、連続中空繊維ができていた。この繊維を縦20本横20本合計400本重ねてレゾール型フェノールレジン(PRー51107、住友ベークライト(株))で満たした漕の中を通した後、10cm角の鉄片に1cm角の穴をあけ200℃に加熱した冶具の中を1m/分の速度で通過させる。この処理後繊維400本を固めた硬化ノボラック樹脂繊維ができるので長さ30cmに断裁する。30cmに断裁したものをさらに縦10個横10個束ねてカーボン繊維で固定する。この試料をカーボンクロスに包み、窒素気流中、5℃/minの速度で1300℃まで昇温し、1300℃で30分保持した。
(Preparation of hollow carbon fiber assembly 2)
Phenol 1.2 kg, 50% formalin 0.6 kg, and oxalic acid 3.5 g were charged into a 3 liter flask and reacted at reflux temperature for 4 hours. Thereafter, vacuum dehydration and concentration are performed under heating until the internal temperature of the reaction product rises to 200 ° C., and then 50 g of Ketjen Black EC600JD (Ketjen Black International Co., Ltd.) is added to the flask, and the mixture is melt-mixed and stirred. A cured novolac resin was obtained. The uncured novolak resin weight in the flask before mixing was 1 kg. The obtained resin after mixing is discharged at a discharge rate of 0.3 g / min · Hole from a base having a donut-shaped discharge port having 20 holes, an inner diameter (corresponding to a hole diameter) of 0.4 mmφ, and an outer diameter of 0.6 mmφ. A heated air flow of 110 ° C. was passed through a slit having a width of 0.3 mm at a flow rate of 30 liters / minute · Hole and spun by a so-called melt blown method. The uncured novolac resin fiber was immersed in a cured aqueous solution mainly composed of formaldehyde and hydrochloric acid, heated to 95 ° C. at a rate of 0.5 ° C./min, and held for 8 hours to obtain a cured novolac resin fiber. . When this fiber was observed with an electron microscope, a continuous hollow fiber was formed. A total of 400 fibers, 20 in length and 20 in width, were passed through a bag filled with a resol type phenol resin (PR-51107, Sumitomo Bakelite Co., Ltd.), and then a 1 cm square hole was formed in a 10 cm square iron piece. It passes through a jig heated to 200 ° C. at a speed of 1 m / min. After this treatment, a cured novolac resin fiber in which 400 fibers are hardened is formed, and is cut to a length of 30 cm. Further, 10 cuts of 10 by 10 are cut into 30 cm and fixed with carbon fiber. This sample was wrapped in carbon cloth, heated to 1300 ° C. at a rate of 5 ° C./min in a nitrogen stream, and held at 1300 ° C. for 30 minutes.

出来上がった炭化物をダイヤモンドカッターで繊維軸に垂直に3mm厚に断裁し、10cm角の炭素電極を作成する。電子顕微鏡で観察したところ表面から裏面へ貫通した平均直径0.4mmφで孔数が平均256個/cm2の穴が空いていた。孔径のばらつきもほとんどなく、均一性の高い空孔が形成されていた。 The finished carbide is cut to a thickness of 3 mm perpendicular to the fiber axis with a diamond cutter to produce a 10 cm square carbon electrode. When observed with an electron microscope, holes having an average diameter of 0.4 mmφ penetrating from the front surface to the back surface and having an average number of holes of 256 holes / cm 2 were found. There was almost no variation in hole diameter, and highly uniform holes were formed.

また表面比抵抗を測定したところ、0.15Ωcmであり、燃料電池用電極として最適であることがわかった。   Further, when the surface specific resistance was measured, it was found to be 0.15 Ωcm, which proved optimal as a fuel cell electrode.

〔電極と固体電解質膜接合体の作製〕
(実施例1)
イ.酸化処理
中空炭素繊維の集合体の作製1で得られた中空炭素繊維の集合体を5M過酸化水素溶液に入れて約80℃で約2時間超音波処理する。次いで、純水洗浄して再び0.1Mの過酸化水素溶液に入れて約40℃で約30分間超音波処理する。さらに純水で洗浄した後、約30℃の純水で約10分間超音波洗浄する。pHが中性になるまで超音波洗浄を繰り返す。
[Production of electrode and solid electrolyte membrane assembly]
Example 1
I. Oxidation treatment Production of hollow carbon fiber assembly The hollow carbon fiber assembly obtained in 1 was placed in a 5M hydrogen peroxide solution and sonicated at about 80 ° C. for about 2 hours. Next, it is washed with pure water, and is again placed in a 0.1 M hydrogen peroxide solution and sonicated at about 40 ° C. for about 30 minutes. Further, after washing with pure water, ultrasonic washing is performed with pure water at about 30 ° C. for about 10 minutes. Repeat the ultrasonic cleaning until the pH is neutral.

ロ.カソード極用の白金電極の作製
酸化処理した中空炭素繊維の集合体を、相対電極を備えた電解槽に位置させる。次いで、約1体積%の0.1MのHCl及び約0.5体積%のエタノールが添加された0.02MのH2PtCl6溶液からなる白金電解析出溶液を前記中空炭素繊維の集合体の電解質膜側の面と接触するように前記電解槽に導入する。次いで、基準電極(SCE)対比−0.5乃至0.0Vの電位領域で四角パルス電位を前記電解析出溶液に印加して0.1乃至10C/cm2の総電荷を流すことにより、前記中空炭素繊維の空孔内部に白金触媒を析出させる。次いで、前記中空炭素繊維を純粋な水で充分洗浄した後、熱処理する。
B. Preparation of platinum electrode for cathode electrode An assembly of oxidized hollow carbon fibers is placed in an electrolytic cell provided with a relative electrode. Next, a platinum electrodeposition solution consisting of a 0.02M H 2 PtCl 6 solution to which about 1% by volume of 0.1M HCl and about 0.5% by volume of ethanol were added was added to the hollow carbon fiber assembly. It introduce | transduces into the said electrolytic vessel so that the surface by the side of an electrolyte membrane may be contacted. Next, by applying a square pulse potential to the electrolytic deposition solution in a potential region of -0.5 to 0.0 V relative to the reference electrode (SCE), a total charge of 0.1 to 10 C / cm 2 is allowed to flow. A platinum catalyst is deposited inside the pores of the hollow carbon fiber. Next, the hollow carbon fiber is sufficiently washed with pure water and then heat-treated.

デュポン社製ナフィオン溶液にイソプロパノールを加え粘度50cpの溶液を作製する。この溶液に触媒を担持した中空炭素繊維の集合体を24時間浸漬する。その後取り出し乾燥してカソード極を作製した。   Isopropanol is added to a DuPont Nafion solution to prepare a solution having a viscosity of 50 cp. An aggregate of hollow carbon fibers carrying a catalyst is immersed in this solution for 24 hours. Then, it was taken out and dried to produce a cathode electrode.

ハ.アノード極用の白金/ルテニウム電極の作製
酸化処理した中空炭素繊維の集合体を、相対電極を備えた電解槽に位置させる。次いで、約5体積%の0.1MのHCl及び約2体積%のエタノールが添加されて0.05MのH2PtCl6溶液及び0.05MのRuCl3溶液からなる白金/ルテニウム電解析出溶液を前記中空炭素繊維の集合体の電解質膜側の面と接触するように前記電解槽に導入する。
C. Production of platinum / ruthenium electrode for anode electrode An assembly of oxidized hollow carbon fibers is placed in an electrolytic cell equipped with a relative electrode. A platinum / ruthenium electrodeposition solution comprising 0.05M H 2 PtCl 6 solution and 0.05M RuCl 3 solution is then added with about 5% by volume 0.1M HCl and about 2% by volume ethanol. It introduce | transduces into the said electrolytic vessel so that the surface by the side of the electrolyte membrane of the aggregate | assembly of the said hollow carbon fiber may be contacted.

次いで、基準電極(SCE)対比−0.5乃至0.3Vの電位領域でパルス電位を前記電解析出溶液に印加して0.1乃至10C/cm2の総電荷を流すことにより、中空炭素繊維の集合体の空孔内部に白金/ルテニウム触媒を析出させる。次いで、純粋な水で充分洗浄した後熱処理してアノード極を作製した。 Next, by applying a pulse potential to the electrolytic deposition solution in a potential region of −0.5 to 0.3 V relative to the reference electrode (SCE) and causing a total charge of 0.1 to 10 C / cm 2 to flow, hollow carbon A platinum / ruthenium catalyst is deposited inside the pores of the fiber assembly. Next, after thoroughly washing with pure water, heat treatment was performed to produce an anode electrode.

デュポン社製ナフィオン溶液にイソプロパノールを加え粘度50cpの溶液を作製する。この溶液に触媒を担持した中空炭素繊維の集合体を24時間浸漬する。その後取り出し乾燥してアノード極を作製した。   Isopropanol is added to a DuPont Nafion solution to prepare a solution having a viscosity of 50 cp. An aggregate of hollow carbon fibers carrying a catalyst is immersed in this solution for 24 hours. Then, it was taken out and dried to produce an anode electrode.

ニ.電極−固体電解質膜接合体の組み立て
ロ、ハで作成した電極を、デュポン社製固体電解質膜ナフィオン112の両面に温度130℃、圧力が9.8×105(Pa)でホットプレスして電極−固体電解質膜接合体を作製した。
D. Assembling the electrode-solid electrolyte membrane assembly The electrodes prepared in (b) and (c) were hot-pressed on both surfaces of a DuPont solid electrolyte membrane Nafion 112 at a temperature of 130 ° C. and a pressure of 9.8 × 10 5 (Pa). -A solid electrolyte membrane assembly was prepared.

(実施例2)
イ.酸化処理
中空炭素繊維の集合体の作製1で得られた中空炭素繊維の集合体を5M過酸化水素溶液に入れて約80℃で約2時間超音波処理する。次いで、純水洗浄して再び0.1Mの過酸化水素溶液に入れて約40℃で約30分間超音波処理する。さらに純水で洗浄した後、約30℃の純水で約10分間超音波洗浄する。pHが中性になるまで超音波洗浄を繰り返す。
(Example 2)
I. Oxidation treatment Production of hollow carbon fiber assembly The hollow carbon fiber assembly obtained in 1 was placed in a 5M hydrogen peroxide solution and sonicated at about 80 ° C. for about 2 hours. Next, it is washed with pure water, and is again placed in a 0.1 M hydrogen peroxide solution and sonicated at about 40 ° C. for about 30 minutes. Further, after washing with pure water, ultrasonic washing is performed with pure water at about 30 ° C. for about 10 minutes. Repeat the ultrasonic cleaning until the pH is neutral.

ロ.カソード極用の白金電極の作製
デュポン社製ナフィオン溶液に、触媒担持カーボン(触媒;Pt、カーボン;Cabot社製VulcanXC−72R、白金担持量;50質量%)とイソプロパノールを加え、良く攪拌して触媒−ポリマ組成物を調製した。
B. Preparation of platinum electrode for cathode electrode To a Nafion solution manufactured by DuPont, a catalyst-supported carbon (catalyst; Pt, carbon; Vulcan XC-72R manufactured by Cabot, platinum-supported amount: 50% by mass) and isopropanol are added, and the catalyst is stirred well. -A polymer composition was prepared.

酸化処理した中空炭素繊維の集合体を拡散層として、この層の片面に前記触媒−ポリマ組成物を触媒層として塗布し、カソード極を作製した。   An aggregate of hollow carbon fibers subjected to oxidation treatment was used as a diffusion layer, and the catalyst-polymer composition was applied as a catalyst layer on one side of this layer to produce a cathode electrode.

ハ.アノード極用の白金/ルテニウム電極の作製
デュポン社製ナフィオン溶液に、触媒担持カーボン(触媒;PtとRu、カーボン;Cabot社製VulcanXC−72R、白金、ルテニウム担持量;50質量%)とイソプロパノールを加え、良く攪拌して触媒−ポリマ組成物を調製した。
C. Preparation of platinum / ruthenium electrode for anode electrode Catalyst-supported carbon (catalyst; Pt and Ru, carbon; Vulcan XC-72R, platinum and ruthenium supported amount: 50% by mass) and isopropanol added to DuPont Nafion solution The catalyst-polymer composition was prepared by stirring well.

酸化処理した中空炭素繊維の集合体を拡散層として、この層の片面に前記触媒−ポリマ組成物を触媒層として塗布してカソード極を作製した。   A cathode electrode was produced by applying an aggregate of hollow carbon fibers subjected to oxidation treatment as a diffusion layer and applying the catalyst-polymer composition as a catalyst layer on one side of this layer.

ニ.電極−固体電解質膜接合体の組み立て
ロ、ハで作成した電極を、デュポン社製固体電解質膜ナフィオン112の両面に温度130℃、圧力が9.8×105(Pa)でホットプレスして電極−固体電解質膜接合体を作製した。
D. Assembling the electrode-solid electrolyte membrane assembly The electrodes prepared in (b) and (c) were hot-pressed on both surfaces of a DuPont solid electrolyte membrane Nafion 112 at a temperature of 130 ° C. and a pressure of 9.8 × 10 5 (Pa). -A solid electrolyte membrane assembly was prepared.

(実施例3)
中空炭素繊維の集合体の作製1で得られた中空炭素繊維の集合体を用いる代わりに、中空炭素繊維の集合体の作製2で作製された中空炭素繊維の集合体を用いた以外は、実施例1と同様にカソード極、アノード極を作製し、電極−固体電解質膜接合体を作製した。
(Example 3)
Except for using the hollow carbon fiber aggregates produced in Hollow Carbon Fiber Aggregate Preparation 2 instead of using the hollow carbon fiber aggregates obtained in Hollow Carbon Fiber Aggregate Production 1 A cathode electrode and an anode electrode were produced in the same manner as in Example 1 to produce an electrode-solid electrolyte membrane assembly.

(実施例4)
中空炭素繊維の集合体の作製1で得られた中空炭素繊維の集合体を用いる代わりに、中空炭素繊維の集合体の作製2で作製された中空炭素繊維の集合体を用いた以外は、実施例2と同様にカソード極、アノード極を作製し、電極−固体電解質膜接合体を作製した。
Example 4
Except for using the hollow carbon fiber aggregates produced in Hollow Carbon Fiber Aggregate Preparation 2 instead of using the hollow carbon fiber aggregates obtained in Hollow Carbon Fiber Aggregate Production 1 A cathode electrode and an anode electrode were prepared in the same manner as in Example 2 to prepare an electrode-solid electrolyte membrane assembly.

(比較例1)
中空炭素繊維の集合体の作製1で得られた中空炭素繊維の集合体を用いる代わりに、東レ製カーボンペーパーTGP−H−060を用いた以外は、実施例2と同様にカソード極、アノード極を作製し、電極−固体電解質膜接合体を作製した。
(Comparative Example 1)
Preparation of hollow carbon fiber assembly Cathode electrode and anode electrode as in Example 2 except that Toray carbon paper TGP-H-060 was used instead of using the hollow carbon fiber assembly obtained in 1 And an electrode-solid electrolyte membrane assembly was prepared.

〔電池評価と結果〕
以上で作製した実施例及び比較例の電解質膜と電極の接合体を燃料流路が形成されたチタン製のアノード極側セパレータ及びガス流路が形成されたチタン製のカソード極側セパレータで挟み、直接メタノール燃料電池単セルを作製し、電流−電圧特性を測定した。
[Battery evaluation and results]
The assembly of the electrolyte membrane and electrode of the example and the comparative example prepared above was sandwiched between a titanium anode electrode side separator in which a fuel channel was formed and a titanium cathode electrode side separator in which a gas channel was formed, A direct methanol fuel cell single cell was prepared and current-voltage characteristics were measured.

なお、アノード極側およびカソード極側のセパレータに外部出力端子を取り付けて、燃料電池の出力を取り出せるようにした。   In addition, an external output terminal was attached to the separator on the anode electrode side and cathode electrode side so that the output of the fuel cell could be taken out.

上記で作製した燃料電池を用い、大気圧下での2モルのメタノール水溶液を燃料流速30ml/分で燃料流路に流し、酸化剤ガスとして1atmの空気を100ml/分でガス流路に流して、80℃で発電を行ない、電流−電圧特性を測定した。代表値として、500Ωと1kΩの抵抗を接続した電流値で、運転初期と運転10時間後と運転1週間後の出力を評価した。   Using the fuel cell prepared above, a 2 molar aqueous methanol solution at atmospheric pressure was caused to flow through the fuel flow path at a fuel flow rate of 30 ml / min, and 1 atm air as an oxidant gas was flowed through the gas flow path at 100 ml / min. Then, power generation was performed at 80 ° C., and current-voltage characteristics were measured. As a representative value, the output at the initial stage of operation, after 10 hours of operation, and after 1 week of operation was evaluated with a current value obtained by connecting resistors of 500Ω and 1 kΩ.

結果を表1に示す   The results are shown in Table 1.

Figure 2006244949
Figure 2006244949

これより、運転10時間後と1週間後の出力を見ると、本発明の電解質膜と電極の接合体を用いた場合の電流値が、比較例のそれよりも良好であり、安定した高出力を長時間にわたって得られていることがわかる。   From this, when looking at the output after 10 hours and 1 week after operation, the current value in the case of using the assembly of the electrolyte membrane and the electrode of the present invention is better than that of the comparative example, and the stable high output It can be seen that is obtained for a long time.

特に、本発明の中空炭素繊維の集合体を触媒層として用いた実施例1及び3は、1週間後においても出力の低下はみられなかった。   In particular, in Examples 1 and 3 using the aggregate of hollow carbon fibers of the present invention as a catalyst layer, no decrease in output was observed even after one week.

本発明に係る燃料電池の単セルIを示す模式図である。1 is a schematic view showing a single cell I of a fuel cell according to the present invention. (a)は、1本の中空炭素繊維の斜視図、(b)は、本発明に係る中空炭素繊維の集合体の概略を示す斜視図、(c)は、本発明に係る中空炭素繊維を電極としての形状に束ねた中空炭素繊維の集合体を所定厚さに切断した状態を示す斜視図である。(A) is a perspective view of one hollow carbon fiber, (b) is a perspective view schematically showing an assembly of hollow carbon fibers according to the present invention, and (c) is a hollow carbon fiber according to the present invention. It is a perspective view which shows the state which cut | disconnected the aggregate of the hollow carbon fiber bundled in the shape as an electrode to predetermined thickness.

符号の説明Explanation of symbols

I 燃料電池の単セル
1 電解質膜
2 アノード極側触媒層
3 カソード極側触媒層
4 アノード極側拡散層
5 カソード極側拡散層
6 アノード極側セパレータ
7 カソード極側セパレータ
8 燃料流路
9 酸化剤流路
10 空孔
11 中空炭素繊維の集合体
I Fuel cell single cell 1 Electrolyte membrane 2 Anode electrode side catalyst layer 3 Cathode electrode side catalyst layer 4 Anode electrode side diffusion layer 5 Cathode electrode side diffusion layer 6 Anode electrode side separator 7 Cathode electrode side separator 8 Fuel flow path 9 Oxidizing agent Channel 10 Hole 11 Aggregate of hollow carbon fibers

Claims (5)

中空炭素繊維の集合体を含有することを特徴とする燃料電池用電極。 A fuel cell electrode comprising an assembly of hollow carbon fibers. 前記中空炭素繊維の集合体は、その空孔の内部に触媒を担持していることを特徴とする請求項1に記載の燃料電池用電極。 2. The fuel cell electrode according to claim 1, wherein the hollow carbon fiber aggregate has a catalyst supported inside its pores. 3. 前記中空炭素繊維の集合体における前記空孔の平均直径が、100nm以上1mm未満であることを特徴とする請求項2に記載の燃料電池用電極。 3. The fuel cell electrode according to claim 2, wherein an average diameter of the pores in the hollow carbon fiber aggregate is 100 nm or more and less than 1 mm. アノード極及びカソード極の少なくとも一方が、請求項1乃至3のいずれか1項に記載の燃料電池用電極を用いたことを特徴とする燃料電池。 A fuel cell using the fuel cell electrode according to any one of claims 1 to 3 as at least one of an anode electrode and a cathode electrode. 前記燃料電池は、直接メタノール燃料電池であることを特徴とする請求項4に記載の燃料電池。 The fuel cell according to claim 4, wherein the fuel cell is a direct methanol fuel cell.
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