JP2010198801A - Electrode for polymer electrolyte fuel cell, method for manufacturing calcined film of polymer electrolyte fuel cell, method for using electrode of polymer electrolyte fuel cell, and polymer electrolyte fuel cell - Google Patents

Electrode for polymer electrolyte fuel cell, method for manufacturing calcined film of polymer electrolyte fuel cell, method for using electrode of polymer electrolyte fuel cell, and polymer electrolyte fuel cell Download PDF

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一彰 大西
Koichi Kimura
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an electrode for a polymer electrolyte fuel cell, the electrode suitably maintaining a wet condition of a solid polymer film by securing suitable water retention characteristics. <P>SOLUTION: In the electrode 1 for the polymer electrolyte fuel cell made of a gas diffusion layer 2 with conductivity and ventilation characteristics and a catalyst layer 3 including a catalyst 6 carried by a catalyst carrier, the gas diffusion layer 2 is provided with cup-stack type carbon nanotube at a designated length, and a calcined film in which conductive fillers shorter in length than the cup-stack type carbon nanotube are mixed. The catalyst 6 is carried on the calcined film functioning as a catalyst carrier. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、導電性及び通気性を有するガス拡散層と、触媒担持体に担持された触媒を含む触媒層とからなる固体高分子型燃料電池用電極、固体高分子型燃料電池用電極の製造方法、及び、固体高分子型燃料電池に関する。   The present invention relates to a solid polymer fuel cell electrode comprising a gas diffusion layer having conductivity and air permeability and a catalyst layer containing a catalyst supported on a catalyst carrier, and production of a solid polymer fuel cell electrode The present invention relates to a method and a polymer electrolyte fuel cell.

固体高分子型燃料電池は、固体電解質膜の両側をアノード側触媒電極及びカソード側触媒電極で挟持した膜−電極接合体で構成される。   A polymer electrolyte fuel cell is composed of a membrane-electrode assembly in which both sides of a solid electrolyte membrane are sandwiched between an anode side catalyst electrode and a cathode side catalyst electrode.

アノード触媒側電極及びカソード触媒側電極は、導電性及び通気性を有するガス拡散層と触媒担持体に担持された触媒とイオン交換樹脂を含む触媒層を備え、触媒層が固体電解質膜と当接した構造となっている。   The anode catalyst side electrode and the cathode catalyst side electrode include a gas diffusion layer having conductivity and air permeability, a catalyst layer including a catalyst supported on a catalyst support and an ion exchange resin, and the catalyst layer is in contact with the solid electrolyte membrane. It has a structure.

触媒電極は、白金または白金合金等の触媒をカーボンブラック等の表面積の大きい触媒担持体に担持した触媒層を、イオン交換樹脂と共にガス拡散層上に塗布することによって得られる。   The catalyst electrode is obtained by applying a catalyst layer in which a catalyst such as platinum or a platinum alloy is supported on a catalyst carrier having a large surface area such as carbon black on the gas diffusion layer together with an ion exchange resin.

特許文献1には、処理の困難な副生成物を発生させることなく短期間で製造でき、良好な燃料ガス透過性を確保しながら高い触媒活性が得られる薄型の固体高分子型燃料電池用電極を提供することを目的として、導電性及び通気性を有するガス拡散層と、触媒担持体に担持された金属触媒を含む触媒層とからなる固体高分子型燃料電池用電極であって、前記ガス拡散層がカーボンナノチューブでなる焼成膜で構成されるとともに、前記金属触媒が前記触媒担持体として機能する前記焼成膜に担持されている固体高分子型燃料電池用電極が提案されている。   Patent Document 1 discloses a thin polymer electrolyte fuel cell electrode that can be produced in a short period of time without generating by-products that are difficult to process, and that provides high catalytic activity while ensuring good fuel gas permeability. The electrode for a polymer electrolyte fuel cell comprising a gas diffusion layer having conductivity and air permeability and a catalyst layer containing a metal catalyst supported on a catalyst carrier, the gas There has been proposed an electrode for a polymer electrolyte fuel cell in which a diffusion layer is composed of a fired film made of carbon nanotubes, and the metal catalyst is supported on the fired film functioning as the catalyst support.

特開2008−210801号公報JP 2008-210801A

上述の固体高分子型燃料電池用電極によれば、カーボンナノチューブを用いた気孔サイズの小さな焼成膜をガス拡散層として用いることにより、燃料ガスに対する適度な通気性を確保しながらも、触媒の担体として要求される十分な比表面積が得られるので、カーボンブラック等の別途の触媒担体層を設けることなく、ガス拡散層に直接触媒を担持させることができるようになり、膜−電極接合体の一層の薄膜化が図れるようになる。   According to the above-mentioned electrode for a polymer electrolyte fuel cell, the use of a baked film having a small pore size using carbon nanotubes as a gas diffusion layer allows the catalyst carrier to be secured while ensuring adequate gas permeability to the fuel gas. As a sufficient specific surface area required for the above can be obtained, the catalyst can be directly supported on the gas diffusion layer without providing a separate catalyst carrier layer such as carbon black. Can be made thinner.

ところで、固体高分子型燃料電池では、アノード側電極で水素分子が触媒の作用により分離された水素イオンが固体高分子膜を介して、また電子が外部回路を通ってカソード側電極に到り、カソード側電極で酸素と反応して水が生成されるのであるが、固体高分子型燃料電池の性能を左右するイオン伝導率は、固体高分子膜の水分含有量に著しく影響を受けるため、固体高分子膜が適切かつ均等な湿潤状態に保たれる必要がある。   By the way, in the polymer electrolyte fuel cell, hydrogen ions separated by the action of the catalyst at the anode side electrode are passed through the solid polymer membrane, and the electrons pass through the external circuit to reach the cathode side electrode. The cathode side electrode reacts with oxygen to produce water, but the ionic conductivity that affects the performance of the polymer electrolyte fuel cell is significantly affected by the moisture content of the polymer electrolyte membrane. The polymer membrane needs to be kept in a proper and uniform wet state.

固体高分子膜が乾燥してイオン伝導率が低下すると、出力特性が低下するドライアウトという現象が発生するためである。   This is because when the solid polymer membrane is dried and the ionic conductivity is lowered, a phenomenon called dry-out in which output characteristics are lowered occurs.

上述の焼成膜を用いた電極によれば、気孔サイズ、つまり細孔径サイズをある程度小さくして、燃料ガスに対する適度な通気性を確保できるが、固体高分子膜の湿潤状態を良好に保つために、保水性の観点で焼成膜の更なる改良が望まれていた。   According to the electrode using the fired film described above, the pore size, that is, the pore diameter size, can be reduced to some extent to ensure adequate air permeability to the fuel gas, but in order to keep the solid polymer film in a good wet state From the viewpoint of water retention, further improvement of the fired film has been desired.

本発明の目的は、上述の問題点に鑑み、良好な保水性を確保して、固体高分子膜の湿潤状態を良好に保つことができる固体高分子型燃料電池用電極、固体高分子型燃料電池用焼成膜の製造方法、固体高分子型燃料電池用電極の使用方法、及び、固体高分子型燃料電池を提供する点にある。   In view of the above-mentioned problems, an object of the present invention is to provide an electrode for a polymer electrolyte fuel cell, a polymer electrolyte fuel, which can ensure good water retention and keep the solid polymer membrane in a good wet state. It exists in the point which provides the manufacturing method of the sintered film for batteries, the usage method of the electrode for polymer electrolyte fuel cells, and a polymer electrolyte fuel cell.

上述の目的を達成するため、本発明による固体高分子型燃料電池用電極の第一の特徴構成は、特許請求の範囲の書類の請求項1に記載した通り、導電性及び通気性を有するガス拡散層と、触媒担持体に担持された触媒を含む触媒層とからなる固体高分子型燃料電池用電極であって、前記ガス拡散層が、所定長さのカップスタック型カーボンナノチューブと前記カップスタック型カーボンナノチューブより長さが短い導電性フィラーが混合された焼成膜で構成されるとともに、前記触媒が前記触媒担持体として機能する前記焼成膜に担持されている点にある。   In order to achieve the above-mentioned object, the first characteristic configuration of the electrode for a polymer electrolyte fuel cell according to the present invention is a gas having conductivity and air permeability as described in claim 1 of the claims. An electrode for a polymer electrolyte fuel cell comprising a diffusion layer and a catalyst layer containing a catalyst supported on a catalyst carrier, wherein the gas diffusion layer comprises a cup-stacked carbon nanotube having a predetermined length and the cup stack. It is composed of a fired film in which conductive fillers shorter in length than the carbon nanotubes are mixed, and the catalyst is supported on the fired film functioning as the catalyst support.

上述の構成によれば、焼成膜の母材となるカップスタック型カーボンナノチューブが互いに絡み合って形成される細孔に、カップスタック型カーボンナノチューブより長さが短い導電性フィラーが入り込むため、焼成膜の導電性を維持しながらも、細孔径分布の最大ピーク値をより小径側にシフトさせることができる。その結果、焼成膜の保水性の向上により、固体高分子膜の湿潤状態を良好に維持でき、ドライアウト現象の発生を効果的に抑制することができるのである。   According to the above-described configuration, the conductive filler having a shorter length than the cup stack type carbon nanotubes enters the pores formed by entwining the cup stack type carbon nanotubes that are the base material of the fired film. While maintaining conductivity, the maximum peak value of the pore size distribution can be shifted to the smaller diameter side. As a result, by improving the water retention of the fired film, the wet state of the solid polymer film can be maintained well, and the occurrence of the dry-out phenomenon can be effectively suppressed.

特に、焼成膜の細孔径分布の最大ピーク値が0.08μmから0.18μmの範囲に調整されていると、良好な保水性が確保できるようになる。   In particular, when the maximum peak value of the pore size distribution of the fired film is adjusted in the range of 0.08 μm to 0.18 μm, good water retention can be secured.

前記カップスタック型カーボンナノチューブと前記導電性フィラーの混合重量に対して、前記導電性フィラーの混合率が50重量%以下であると、焼成膜の保形性を確保しながらも、細孔径分布の最大ピーク値をより小径側にシフトさせることができる点で好ましい。   When the mixing ratio of the conductive filler is 50% by weight or less with respect to the mixed weight of the cup-stacked carbon nanotube and the conductive filler, while maintaining the shape retention of the fired film, This is preferable in that the maximum peak value can be shifted to the smaller diameter side.

導電性フィラーの長さが前記カップスタック型カーボンナノチューブの長さの1/2以下であると、細孔径分布の最大ピーク値を効果的に小径側にシフトさせることができる点で好ましい。   It is preferable that the length of the conductive filler is ½ or less of the length of the cup-stacked carbon nanotube because the maximum peak value of the pore diameter distribution can be effectively shifted to the small diameter side.

カップスタック型カーボンナノチューブが長さ0.5〜10μmであり、導電性フィラーが長さ1μm以下であることが好ましい。   The cup-stacked carbon nanotube is preferably 0.5 to 10 μm in length, and the conductive filler is preferably 1 μm or less in length.

導電性フィラーとしてカーボンナノチューブ、カーボンブラック、グラファイト、黒鉛、金属、金属酸化物の何れかから選択することが好ましい。   The conductive filler is preferably selected from carbon nanotubes, carbon black, graphite, graphite, metal, and metal oxide.

触媒担持体となる焼成膜の母材としてカップスタック型カーボンナノチューブを用いることにより、触媒の担体として要求される十分な比表面積が得られるようになり、非常に活性が高く、触媒が結合しやすいため、全体として触媒を好適に分散させて担持させることができるようになる。   By using cup-stacked carbon nanotubes as the base material of the fired film that becomes the catalyst carrier, a sufficient specific surface area required as a catalyst carrier can be obtained, which is very active and the catalyst is easily bonded. Therefore, the catalyst can be suitably dispersed and supported as a whole.

導電性フィラーとしてカーボンナノチューブ、カーボンブラック、グラファイト、黒鉛、金属、金属酸化物の何れかを選択することにより、カーボンナノチューブが絡み合って形成される細孔径を効果的に小径化することができる。   By selecting any one of carbon nanotubes, carbon black, graphite, graphite, metal, and metal oxide as the conductive filler, the pore diameter formed by the entanglement of the carbon nanotubes can be effectively reduced.

上述した固体高分子型燃料電池用電極に用いる焼成膜は、有機溶媒にカップスタック型カーボンナノチューブと前記カップスタック型カーボンナノチューブより長さが短い導電性フィラーと樹脂バインダを分散させる分散処理工程と、前記分散処理工程で得られた分散溶液を膜状に成形して乾燥させる成形工程と、前記成形工程で得られた膜を不活性ガス雰囲気下で焼成する焼成工程により製造することができる。   The fired film used for the electrode for a polymer electrolyte fuel cell described above is a dispersion treatment step in which a cup-stacked carbon nanotube, a conductive filler having a shorter length than the cup-stacked carbon nanotube, and a resin binder are dispersed in an organic solvent, The dispersion solution obtained in the dispersion treatment step can be produced by a forming step of forming a film and drying it, and a firing step of baking the film obtained in the forming step in an inert gas atmosphere.

上述したように、固体高分子型燃料電池では、カソード側電極で酸素と反応して水が生成されることもあり、アノード側でドライアウト現象が発生し易い傾向がある。そこで、上述した固体高分子型燃料電池用電極を、固体高分子型燃料電池のアノード側電極として使用することにより、ドライアウト現象の発生を回避して、良好な発電状態を保つことができるようになる。   As described above, in the polymer electrolyte fuel cell, water may be generated by reacting with oxygen at the cathode side electrode, and the dry-out phenomenon tends to occur on the anode side. Therefore, by using the above-described polymer electrolyte fuel cell electrode as the anode electrode of the polymer electrolyte fuel cell, it is possible to avoid the occurrence of a dry-out phenomenon and maintain a good power generation state. become.

固体高分子型燃料電池として、導電性及び通気性を有するガス拡散層がカップスタック型カーボンナノチューブを母材とする焼成膜で構成され、前記焼成膜に触媒が担持されている電極が組み込まれ、アノード側電極に用いられる焼成膜の細孔径分布の最大ピーク値が、カソード側電極に用いられる焼成膜の細孔径分布の最大ピーク値よりも小さく調整されていることが好ましい。   As a polymer electrolyte fuel cell, a gas diffusion layer having conductivity and air permeability is composed of a fired film using a cup-stacked carbon nanotube as a base material, and an electrode on which a catalyst is supported is incorporated in the fired film, It is preferable that the maximum peak value of the pore diameter distribution of the fired film used for the anode side electrode is adjusted to be smaller than the maximum peak value of the pore diameter distribution of the fired film used for the cathode side electrode.

上述の構成によれば、ドライアウト現象が発生し易い傾向があるアノード側の電極に細孔径分布の最大ピーク値が小さい焼成膜を用いることにより、ドライアウト現象の発生を抑止し、カソード側の電極に細孔径分布の最大ピーク値が大きい焼成膜を用いることにより、生成された水によりガス透過性が低下するフラッティング現象の発生を抑止することができるようになる。   According to the above-described configuration, the use of a fired film having a small maximum peak value of the pore size distribution for the anode-side electrode that tends to cause the dry-out phenomenon prevents the occurrence of the dry-out phenomenon, By using a fired film having a large maximum peak diameter distribution for the electrode, it is possible to suppress the occurrence of a flatting phenomenon in which the gas permeability is lowered by the generated water.

そして、上述した固体高分子型燃料電池用電極は、アノード側電極に好適に用いることができる。   And the electrode for a polymer electrolyte fuel cell mentioned above can be used conveniently for an anode side electrode.

以上説明した通り、本発明によれば、良好な保水性を確保して、固体高分子膜の湿潤状態を良好に保つことができる固体高分子型燃料電池用電極、固体高分子型燃料電池用焼成膜の製造方法、固体高分子型燃料電池用電極の使用方法、及び、固体高分子型燃料電池を提供することができるようになった。   As described above, according to the present invention, it is possible to ensure good water retention and keep the solid polymer membrane in a good wet state. A method for producing a fired film, a method for using a polymer electrolyte fuel cell electrode, and a polymer electrolyte fuel cell can be provided.

本発明による固体高分子型燃料電池の説明図Explanatory drawing of the polymer electrolyte fuel cell by this invention 焼成膜への触媒の担持状態を示す説明図Explanatory drawing showing the state of catalyst loading on the fired film 焼成膜の製造方法の説明図Explanatory drawing of manufacturing method of fired film カップスタック型カーボンナノチューブと導電性フィラーの混合重量と、細孔径分布の最大ピーク値のデータ説明図であって、(a)は二組の比較サンプルと第1サンプルの説明図、(b)は二組の比較サンプルと第2サンプルの説明図It is data explanatory drawing of the mixing weight of a cup stack type carbon nanotube and a conductive filler, and the maximum peak value of pore size distribution, (a) is explanatory drawing of two sets of comparative samples and the 1st sample, (b) is Illustration of two sets of comparative sample and second sample 実験結果を示し、一組目の比較サンプルと第1サンプルの細孔径分布の変化を示す特性図Characteristic diagram showing experimental results and changes in pore size distribution of the first set of comparative samples and the first sample 実験結果を示し、二組目の比較サンプルと第1サンプルの細孔径分布の変化を示す特性図Characteristic diagram showing experimental results and changes in pore size distribution of the second set of comparative samples and the first sample 実験結果を示し、一組目の比較サンプルと第2サンプルの細孔径分布の変化を示す特性図Characteristic diagram showing experimental results and changes in pore size distribution of the first set of comparative sample and second sample 実験結果を示し、二組目の比較サンプルと第2サンプルの細孔径分布の変化を示す特性図Characteristic diagram showing experimental results and changes in pore size distribution of the second set of comparative sample and second sample 実験結果を示し、カップスタック型カーボンナノチューブと導電性フィラーの混合率による細孔径分布の最大ピーク値の変化を示す説明図Explanatory drawing showing experimental results and showing change in maximum peak value of pore size distribution due to mixing ratio of cup-stacked carbon nanotube and conductive filler

以下、本発明による固体高分子型燃料電池用電極を採用した固体高分子型燃料電池の好適な実施形態について説明する。   Hereinafter, a preferred embodiment of a polymer electrolyte fuel cell employing the polymer electrolyte fuel cell electrode according to the present invention will be described.

図1に示すように、本発明による固体高分子型燃料電池1は、固体高分子電解質膜8の両面にアノード側触媒電極4a(4)及びカソード側触媒電極4b(4)が夫々接合されて構成されている。   As shown in FIG. 1, a solid polymer fuel cell 1 according to the present invention has an anode side catalyst electrode 4a (4) and a cathode side catalyst electrode 4b (4) joined to both surfaces of a solid polymer electrolyte membrane 8, respectively. It is configured.

アノード側触媒電極4a(4)及びカソード側触媒電極4b(4)は、導電性及び通気性を有するガス拡散層2(2a,2b)と、ガス拡散層2(2a,2b)の一側面に担持された触媒6(6a,6b)とイオン交換樹脂7を含む触媒層3(3a,3b)とで構成され、夫々の触媒層3(3a,3b)が固体高分子電解質膜8に対向するように配置されている。   The anode side catalyst electrode 4a (4) and the cathode side catalyst electrode 4b (4) are provided on one side of the gas diffusion layer 2 (2a, 2b) and the gas diffusion layer 2 (2a, 2b) having conductivity and air permeability. The catalyst layer 3 (3a, 3b) including the supported catalyst 6 (6a, 6b) and the ion exchange resin 7 is formed, and each catalyst layer 3 (3a, 3b) faces the solid polymer electrolyte membrane 8. Are arranged as follows.

ガス拡散層2は、導電性及び通気性を有する焼成膜で構成され、焼成膜上に触媒6がスパッタリングによって担持されている。   The gas diffusion layer 2 is composed of a fired film having conductivity and air permeability, and a catalyst 6 is supported on the fired film by sputtering.

触媒担持体となる焼成膜は、所定長さのカップスタック型カーボンナノチューブとカップスタック型カーボンナノチューブより長さが短い導電性フィラーが混合された焼成膜で構成され、比表面積を十分に確保し、充分な触媒の担持量や均一分散性を確保するために、直径が80〜120nmの範囲で、繊維の長さが0.5μm以上で10μm以下の範囲のカップスタック型カーボンナノチューブが母材に用いられている。   The fired film to be a catalyst carrier is composed of a fired film in which a cup-stacked carbon nanotube of a predetermined length and a conductive filler having a shorter length than the cup-stacked carbon nanotube are mixed, ensuring a sufficient specific surface area, In order to ensure a sufficient amount of catalyst supported and uniform dispersibility, cup-stacked carbon nanotubes having a diameter in the range of 80 to 120 nm and a fiber length in the range of 0.5 μm to 10 μm are used as the base material. It has been.

カップスタック型カーボンナノチューブは、一般的な同心円状のカーボンナノチューブと異なり、底の空いた炭素網カップを積み重ねた形状で、内部に大きな中空構造を有しており、カップの積み重ね数によって長さの調整が可能であることから、上述の範囲でカップスタック型カーボンナノチューブの長さを適切に選択することによって、焼成膜の形状を保持し、十分な比表面積を保持することができる点で極めて有用である。直径80〜120nmのカップスタック型カーボンナノチューブを、例えばボールミリング等によって10μm以下の長さに容易に調整することができる。   Unlike general concentric carbon nanotubes, cup-stacked carbon nanotubes are shaped by stacking carbon mesh cups with open bottoms and have a large hollow structure inside, and the length depends on the number of cups stacked. Since adjustment is possible, it is extremely useful in that the shape of the fired film can be maintained and a sufficient specific surface area can be maintained by appropriately selecting the length of the cup-stacked carbon nanotube within the above-mentioned range. It is. A cup-stacked carbon nanotube having a diameter of 80 to 120 nm can be easily adjusted to a length of 10 μm or less by, for example, ball milling.

一般的に燃料電池の良好な発電特性を得るには、活性化分極、抵抗分極、濃度分極の三つの最適化が必要とされるが、上述のカップスタック型カーボンナノチューブを用いると、スパッタリングによる触媒の担持により、活性化分極の低減(触媒活性の向上)、既存のカーボンブラックまたはカーボンナノチューブと同等以上の高導電性による抵抗分極の低減、長さ制御による濃度分極の低減という3つの最適化が可能となる。   Generally, three optimizations of activation polarization, resistance polarization, and concentration polarization are required to obtain good power generation characteristics of a fuel cell. When the above-mentioned cup-stacked carbon nanotube is used, a catalyst by sputtering is used. Three types of optimization are possible: reduction of activation polarization (improvement of catalyst activity), reduction of resistance polarization due to high conductivity equal to or higher than that of existing carbon black or carbon nanotubes, and reduction of concentration polarization by length control. It becomes possible.

母材に混合される導電性フィラーは、カップスタック型カーボンナノチューブやTiO等、カーボンナノチューブ、カーボンブラック、グラファイト、黒鉛、金属、金属酸化物の何れかから選択される。 The conductive filler mixed with the base material is selected from any of cup-stacked carbon nanotubes, Ti 2 O, carbon nanotubes, carbon black, graphite, graphite, metals, and metal oxides.

カップスタック型カーボンナノチューブと導電性フィラーの混合重量に対して、導電性フィラーの混合率が50重量%以下であることが好ましく、導電性フィラーの長さがカップスタック型カーボンナノチューブの長さの1/2以下であることが好ましい。   The mixing ratio of the conductive filler is preferably 50% by weight or less with respect to the mixing weight of the cup stack type carbon nanotube and the conductive filler, and the length of the conductive filler is 1 of the length of the cup stack type carbon nanotube. / 2 or less is preferable.

特に、カップスタック型カーボンナノチューブに対する導電性フィラーの混合率が20重量%〜50重量%の範囲に設定され、カップスタック型カーボンナノチューブの長さが0.5〜10μmの範囲、導電性フィラーの長さが1μm以下に設定されることが好ましい。   In particular, the mixing ratio of the conductive filler with respect to the cup stack type carbon nanotube is set in the range of 20 wt% to 50 wt%, the length of the cup stack type carbon nanotube is in the range of 0.5 to 10 μm, the length of the conductive filler Is preferably set to 1 μm or less.

上述の構成によれば、焼成膜の母材となるカップスタック型カーボンナノチューブが互いに絡み合って形成される細孔に、カップスタック型カーボンナノチューブより長さが短い導電性フィラーが入り込むため、焼成膜の導電性を維持しながらも、細孔径分布の最大ピーク値をより小径側にシフトさせることができる。その結果、焼成膜の保水性の向上により、固体高分子膜の湿潤状態を良好に維持でき、ドライアウト現象の発生を効果的に抑制することができる。   According to the above-described configuration, the conductive filler having a shorter length than the cup stack type carbon nanotubes enters the pores formed by entwining the cup stack type carbon nanotubes that are the base material of the fired film. While maintaining conductivity, the maximum peak value of the pore size distribution can be shifted to the smaller diameter side. As a result, by improving the water retention of the fired film, the wet state of the solid polymer film can be maintained well, and the occurrence of the dry-out phenomenon can be effectively suppressed.

焼成膜の細孔径分布の最大ピーク値は、0.06μmから0.20μmの範囲に調整されていることが好ましく、特に、0.08μmから0.18μmの範囲に調整されることが好ましい。   The maximum peak value of the pore size distribution of the fired film is preferably adjusted in the range of 0.06 μm to 0.20 μm, and particularly preferably in the range of 0.08 μm to 0.18 μm.

つまり、導電性及び通気性を有するガス拡散層と、触媒担持体に担持された触媒を含む触媒層とからなり、ガス拡散層が、所定長さのカップスタック型カーボンナノチューブとカップスタック型カーボンナノチューブより長さが短い導電性フィラーが混合された焼成膜で構成されるとともに、触媒が触媒担持体として機能する焼成膜に担持されている固体高分子型燃料電池用電極が構成されている。   That is, a gas diffusion layer having conductivity and air permeability and a catalyst layer containing a catalyst supported on a catalyst carrier, the gas diffusion layer being cup-stacked carbon nanotubes and cup-stacked carbon nanotubes having a predetermined length. An electrode for a polymer electrolyte fuel cell is configured, which is composed of a fired film mixed with a shorter conductive filler, and in which a catalyst is supported on the fired film functioning as a catalyst support.

触媒6は電極反応を促進する機能を有し、その担持量は1mg/cm以下で、更には0.5mg/cm以下であることが好ましい。また、触媒6としては白金Ptまたは白金合金等の触媒が好適に用いられるが、その他に、金Au、銀Ag、イリジウムIr、パラジウムPd、ルテニウムRu、オスミウムOs、ニッケルNi、タングステンW、モリブデンMo、マンガンMn、イットリウムY、バナジウムV、ニオブNb、チタンTi、希土類金属、から選択される少なくとも一種を含む金属を用いることができ、さらにはモリブデンカーバイドMoC等の炭化物を用いることも可能である。 The catalyst 6 has a function of promoting the electrode reaction, and the supported amount is 1 mg / cm 2 or less, more preferably 0.5 mg / cm 2 or less. Further, as the catalyst 6, a catalyst such as platinum Pt or a platinum alloy is preferably used. Besides, gold Au, silver Ag, iridium Ir, palladium Pd, ruthenium Ru, osmium Os, nickel Ni, tungsten W, molybdenum Mo. Further, a metal containing at least one selected from manganese Mn, yttrium Y, vanadium V, niobium Nb, titanium Ti, and a rare earth metal can be used, and a carbide such as molybdenum carbide Mo 2 C can also be used. is there.

これらの触媒は一種類を単独で用いてもよいし、複数を併用してもよく、これらの一部または全部を合金形態で使用してもよい。これらの触媒は、焼成膜上に積層された導電性粒子の積層面にスパッタリング法により担持されているのが好ましい。   These catalysts may be used alone or in combination, or some or all of them may be used in the form of an alloy. These catalysts are preferably supported on the laminated surface of the conductive particles laminated on the fired film by a sputtering method.

触媒6の平均粒子径は、小さい方が有効電極面積が増加して触媒活性が向上するため、1〜10nmの範囲にあることが好ましく、さらに好ましくは、2〜5nmの範囲である。ここで、スパッタリングによって触媒6を担持する場合、触媒6の薄膜が形成されないように諸条件を調節する必要がある。触媒6の薄膜が形成されると、触媒層3の表面全体を触媒6が覆うこととなり、反応ガスや反応ガスと共に供給した水の移動を阻害するためである。   The average particle size of the catalyst 6 is preferably in the range of 1 to 10 nm, more preferably in the range of 2 to 5 nm, because the smaller the average particle diameter, the larger the effective electrode area and the better the catalytic activity. Here, when the catalyst 6 is supported by sputtering, it is necessary to adjust various conditions so that a thin film of the catalyst 6 is not formed. This is because when the thin film of the catalyst 6 is formed, the catalyst 6 covers the entire surface of the catalyst layer 3 and hinders the movement of the reaction gas and the water supplied together with the reaction gas.

スパッタリングの処理時間は90秒未満が好ましく、さらに15秒から60秒以下とすることがより好ましい。また、スパッタリングの際のRF出力値は特に制限されないが、100W以上とすることが好ましい。   The sputtering treatment time is preferably less than 90 seconds, and more preferably 15 seconds to 60 seconds or less. The RF output value during sputtering is not particularly limited, but is preferably 100 W or more.

尚、スパッタリング以外の触媒の担持方法として、例えば、蒸着、電子照射、CVD、PVD、含浸、スプレーコート、スプレー熱分解、練りこみ、吹き付け、ロールやこてによる塗りつけ、スクリーン印刷、混錬法、光電解法、コーティング法、ゾルゲル法、ディップ法等を採用することも可能である。   In addition, as a catalyst supporting method other than sputtering, for example, vapor deposition, electron irradiation, CVD, PVD, impregnation, spray coating, spray pyrolysis, kneading, spraying, coating with a roll or trowel, screen printing, kneading method, photoelectric It is also possible to employ a solution method, a coating method, a sol-gel method, a dip method, or the like.

図2(a)に示すように、平滑な表面を有する膜に触媒6をスパッタした場合には、粒子の上に粒子が乗り、積層された触媒層が形成されるため、スパッタされた触媒の量に対して水素ガスまたは酸素ガスと接触する表面積が制限され、効率的な触媒層を形成することが困難となる。これに対して、図2(b)に示すように、カップスタック型カーボンナノチューブと導電性フィラーの混合物を焼成して得られる焼成膜は、表面が凹凸に形成されるため比表面積が大きくなり、その結果、触媒6が固着する膜表面積を大きく稼ぐことができ、スパッタリングにより粒子が単層で形成され易く、担持されたほぼ全ての触媒6が水素ガスまたは酸素ガスの活性化に寄与して、より高い発電効率を得ることができる。   As shown in FIG. 2 (a), when the catalyst 6 is sputtered on a film having a smooth surface, the particles are placed on the particles and a stacked catalyst layer is formed. The surface area in contact with hydrogen gas or oxygen gas is limited with respect to the amount, making it difficult to form an efficient catalyst layer. On the other hand, as shown in FIG. 2B, the fired film obtained by firing a mixture of cup-stacked carbon nanotubes and conductive fillers has a large specific surface area because the surface is formed with irregularities, As a result, it is possible to greatly increase the film surface area to which the catalyst 6 is fixed, particles are easily formed by sputtering, and almost all the supported catalyst 6 contributes to the activation of hydrogen gas or oxygen gas, Higher power generation efficiency can be obtained.

さらに、図2(c)に示すように、ガス拡散層がカーボンナノチューブと導電性フィラーの混合物でなる焼成膜で構成されるとともに、触媒担持体が焼成膜に形成された導電性粒子層で構成されているものであってもよい。   Further, as shown in FIG. 2 (c), the gas diffusion layer is composed of a fired film made of a mixture of carbon nanotubes and a conductive filler, and the catalyst carrier is composed of a conductive particle layer formed on the fired film. It may be what has been done.

例えば、有機溶媒N−メチルピロリドンにカップスタック型カーボンナノチューブ等のカーボンナノチューブを混入して分散処理したカーボンナノチューブペーストを焼成膜の一側面に塗布することにより、触媒担持体としてのカーボンナノチューブ導電性粒子層を形成することができる。この場合には、焼成膜以上に大きな比表面積を確保することができ、スパッタされる金属触媒粒子が層状に重なることなく分散して担持させることが容易にできるので、触媒の高活性化を確保してさらに発電効率を高めることができるようになる。   For example, carbon nanotube conductive particles as a catalyst carrier are coated by applying a carbon nanotube paste, in which carbon nanotubes such as cup-stacked carbon nanotubes are mixed and dispersed in an organic solvent N-methylpyrrolidone, to one side of a fired film. A layer can be formed. In this case, a specific surface area larger than that of the fired film can be ensured, and the sputtered metal catalyst particles can be easily dispersed and supported without overlapping in layers, thus ensuring high activation of the catalyst. As a result, the power generation efficiency can be further increased.

触媒6が担持されたガス拡散層2(2a,2b)は固体高分子電解質膜8と接合して、燃料電池用MEA(Membrane Electrode Assembly)として利用される。両者を接合する際には、触媒6と固体高分子電解質膜8との間にプロトンが通過する経路を得るため、イオン交換樹脂7を塗布することが好ましい。   The gas diffusion layer 2 (2a, 2b) carrying the catalyst 6 is joined to the solid polymer electrolyte membrane 8 and used as a fuel cell MEA (Mebrane Electrode Assembly). When joining both, it is preferable to apply the ion exchange resin 7 in order to obtain a path through which protons pass between the catalyst 6 and the solid polymer electrolyte membrane 8.

イオン交換樹脂7としては、少なくとも高いプロトン導電性を有する材料が好ましく、デュポン社製の各種ナフィオン(デュポン社登録商標:Nafion)やダウケミカル社製のイオン交換樹脂等が好ましく例示される。   As the ion exchange resin 7, a material having at least high proton conductivity is preferable, and various Nafion (DuPont registered trademark: Nafion) manufactured by DuPont, ion exchange resin manufactured by Dow Chemical Co., etc. are preferably exemplified.

触媒層3に塗布するイオン交換樹脂7の含有量は特に制限されないが、担持された触媒6の全量に対して50〜1500重量%とするのがよい。50重量%より少ない場合には、プロトンが通過する経路が充分に形成されず、一方、1500重量%よりも多い場合には、焼成膜の多孔をふさいでしまい反応ガス(水素ガスや酸素ガス)が通過しなくなり、電池が発電しないという現象を誘発してしまう。また、電極触媒層へのイオン交換樹脂の塗布は、ピペット塗布、スプレー法、ドクターブレード法、スクリーン印刷法等を用いることができる。   The content of the ion exchange resin 7 applied to the catalyst layer 3 is not particularly limited, but is preferably 50 to 1500% by weight with respect to the total amount of the supported catalyst 6. When the amount is less than 50% by weight, a path through which protons pass is not sufficiently formed. On the other hand, when the amount is more than 1500% by weight, pores of the fired film are blocked and a reaction gas (hydrogen gas or oxygen gas) is formed. Does not pass through, and induces a phenomenon that the battery does not generate electricity. Moreover, pipette application, a spray method, a doctor blade method, a screen printing method, etc. can be used for application | coating of the ion exchange resin to an electrode catalyst layer.

さらに、触媒層3と固体高分子電解質膜8との接合には、熱プレス装置等を用いて実施することができる。   Further, the joining of the catalyst layer 3 and the solid polymer electrolyte membrane 8 can be performed using a hot press apparatus or the like.

燃料電池を構成するMEAは、本発明による固体高分子型燃料電池用電極がアノード側触媒電極またはカソード側触媒電極として、固体高分子電解質膜の何れかの面に接合されていれば所期の効果が得られ、必ずしも本発明による固体高分子型燃料電池用電極がアノード触媒電極及びカソード触媒電極の双方に用いられるものに限るものではない。   The MEA that constitutes the fuel cell is expected if the polymer electrolyte fuel cell electrode according to the present invention is bonded to any surface of the solid polymer electrolyte membrane as an anode side catalyst electrode or a cathode side catalyst electrode. The effect is obtained, and the polymer electrolyte fuel cell electrode according to the present invention is not necessarily limited to the one used for both the anode catalyst electrode and the cathode catalyst electrode.

しかし、固体高分子型燃料電池では、カソード側電極で酸素と反応して水が生成されることもあり、アノード側でドライアウト現象が発生し易い傾向がある。そこで、上述した固体高分子型燃料電池用電極を、特に、固体高分子型燃料電池のアノード側電極として使用することにより、ドライアウト現象の発生を回避して、良好な発電状態を保つことができるようになる。   However, in the polymer electrolyte fuel cell, water may be generated by reacting with oxygen at the cathode side electrode, and a dry-out phenomenon tends to occur on the anode side. Therefore, by using the above-described polymer electrolyte fuel cell electrode as an anode electrode of the polymer electrolyte fuel cell, it is possible to avoid a dry-out phenomenon and maintain a good power generation state. become able to.

固体高分子型燃料電池として、導電性及び通気性を有するガス拡散層がカップスタック型カーボンナノチューブを母材とする焼成膜で構成され、焼成膜に触媒が担持されている電極が組み込まれ、アノード側電極に用いられる焼成膜の細孔径分布の最大ピーク値が、カソード側電極に用いられる焼成膜の細孔径分布の最大ピーク値よりも小さく調整されていることが好ましい。   As a polymer electrolyte fuel cell, a gas diffusion layer having conductivity and air permeability is composed of a fired film using a cup-stacked carbon nanotube as a base material, and an electrode carrying a catalyst is incorporated in the fired film, and an anode It is preferable that the maximum peak value of the pore diameter distribution of the fired film used for the side electrode is adjusted to be smaller than the maximum peak value of the pore diameter distribution of the fired film used for the cathode side electrode.

例えば、上述した焼成膜をアノード側電極に用い、導電性フィラーが混合されていない焼成膜をカソード側電極に用いればよい。   For example, the fired film described above may be used for the anode side electrode, and the fired film not mixed with the conductive filler may be used for the cathode side electrode.

上述の構成によれば、ドライアウト現象が発生し易い傾向があるアノード側の電極に細孔径分布の最大ピーク値が小さい焼成膜を用いることにより、ドライアウト現象の発生を抑止し、カソード側の電極に細孔径分布の最大ピーク値が大きい焼成膜を用いることにより、生成された水によりガス透過性が低下するフラッティング現象の発生を抑止することができるようになる。   According to the above-described configuration, the use of a fired film having a small maximum peak value of the pore size distribution for the anode-side electrode that tends to cause the dry-out phenomenon prevents the occurrence of the dry-out phenomenon, By using a fired film having a large maximum peak diameter distribution for the electrode, it is possible to suppress the occurrence of a flatting phenomenon in which the gas permeability is lowered by the generated water.

カップスタック型カーボンナノチューブを母材とする焼成膜の製造工程を説明する。焼成膜の製造工程は、図3に示すように、有機溶媒にカップスタック型カーボンナノチューブとカップスタック型カーボンナノチューブより長さが短い導電性フィラーと樹脂バインダを分散させる分散処理工程と、分散処理工程で得られた分散溶液を膜状に成形して乾燥させる成形工程と、成形工程で得られた膜を不活性ガス雰囲気下で焼成する焼成工程とからなる。   A process for producing a fired film using a cup-stacked carbon nanotube as a base material will be described. As shown in FIG. 3, the manufacturing process of the fired film includes a dispersion processing step in which a cup-stacked carbon nanotube, a conductive filler having a shorter length than the cup-stacked carbon nanotube, and a resin binder are dispersed in an organic solvent, and a dispersion processing step. The forming step comprises forming a dispersion solution obtained in step 1 into a film and drying it, and a firing step in which the film obtained in the forming step is fired in an inert gas atmosphere.

分散処理工程で用いられる有機溶媒としては、特に制限は無いが、カップスタック型のカーボンナノチューブを用いる場合には、極性有機溶媒を例示することができ、特にN−メチルピロリドンが好ましく、樹脂バインダとしてはカーボン分散性を有するアクリル系樹脂が好適に使用できる。   The organic solvent used in the dispersion treatment step is not particularly limited, but when a cup stack type carbon nanotube is used, a polar organic solvent can be exemplified, and in particular, N-methylpyrrolidone is preferable, and as a resin binder Is preferably an acrylic resin having carbon dispersibility.

また分散処理工程では、有機溶媒にカップスタック型カーボンナノチューブと導電性フィラーと樹脂バインダを混合し、ペイントシェーカー等の分散装置を用いて30分から180分の範囲で分散処理することが好ましい。分散処理時間が短い場合にはカップスタック型カーボンナノチューブと導電性フィラーが適度に分散されず、粒状の塊であるダマが形成され、分散処理時間が長い場合にはカップスタック型カーボンナノチューブ同士の絡まりが解消されるため焼成後の膜の保型性を確保できなくなる虞があるためである。   In the dispersion treatment step, it is preferable that the cup stack type carbon nanotube, the conductive filler, and the resin binder are mixed in an organic solvent, and the dispersion treatment is performed in a range of 30 to 180 minutes using a dispersion apparatus such as a paint shaker. When the dispersion treatment time is short, the cup-stacked carbon nanotubes and the conductive filler are not properly dispersed, and a lump that is a granular lump is formed. When the dispersion treatment time is long, the cup-stacked carbon nanotubes are entangled with each other. This is because there is a possibility that the shape retention of the film after firing may not be ensured.

成形工程では、分散処理工程で十分な流動性が得られた分散液が、ガス拡散層のサイズ及び膜厚に対応した型に流し込まれ、その後乾燥処理されて薄膜の板状体が得られる。その際の乾燥温度は、薄膜の板状体が得られるのであれば特に制限されないが、100〜200℃の範囲が好ましい。100℃以下の場合には、溶媒の乾燥除去が不充分で薄膜にならない、もしくは乾燥に多大な時間を要する傾向があり200℃以上の場合には、膜にクラックが発生してしまう傾向があるためである。   In the molding step, the dispersion liquid having sufficient fluidity in the dispersion treatment step is poured into a mold corresponding to the size and film thickness of the gas diffusion layer, and then dried to obtain a thin plate-like body. Although the drying temperature in that case will not be restrict | limited especially if the plate-shaped body of a thin film is obtained, the range of 100-200 degreeC is preferable. When the temperature is 100 ° C. or lower, the solvent is not sufficiently removed by drying, and the film does not become a thin film, or the drying tends to take a long time. Because.

焼成工程では、成形工程で得られた薄膜の板状体が、カップスタック型カーボンナノチューブや導電性フィラーの酸化による脆弱化を招くことが無いように、窒素ガス等の不活性ガス雰囲気下、約600℃で1時間程度焼成される。焼成温度は500℃から700℃、焼成時間は30分から5時間程度が好ましい。焼成時間が20分以下であるとバインダ樹脂が十分に熱分解しないために十分な細孔が形成されず、長時間焼成すると熱劣化により脆弱性が現れる虞があるためである。   In the firing step, the thin plate-like body obtained in the molding step is not subjected to brittleness due to oxidation of cup-stacked carbon nanotubes or conductive fillers, under an inert gas atmosphere such as nitrogen gas. Bake at 600 ° C. for about 1 hour. The firing temperature is preferably 500 ° C. to 700 ° C., and the firing time is preferably about 30 minutes to 5 hours. This is because if the firing time is 20 minutes or less, the binder resin is not sufficiently thermally decomposed, so that sufficient pores are not formed.

さらに、カップスタック型カーボンナノチューブとカップスタック型カーボンナノチューブより長さが短い導電性フィラーが混合された焼成膜を、フッ素が存在する焼成膜として構成してもよい。   Furthermore, a fired film in which a cup-stacked carbon nanotube and a conductive filler having a shorter length than the cup-stacked carbon nanotube are mixed may be configured as a fired film in which fluorine is present.

このような焼成膜は、上述した分散工程でさらにフッ素樹脂を添加した分散溶液を膜状に成形した後に焼成して得られる。   Such a baked film is obtained by forming a dispersion solution to which a fluororesin is further added in the dispersion step described above into a film shape and then baking it.

フッ素が存在する焼成膜を燃料電池に用いれば、焼成膜に撥水効果が発揮され、燃料ガスの反応時に生成される水分が焼成膜に浸潤すること無く、良好な通気性が確保されるため、安定した発電特性を確保することができ、さらには、長期にわたり焼成膜自体の保形性を維持することができるようになる。   If a fired film containing fluorine is used in a fuel cell, the fired film exhibits a water repellent effect, and moisture generated during the reaction of the fuel gas does not infiltrate the fired film, thus ensuring good air permeability. Thus, stable power generation characteristics can be secured, and further, the shape retention of the fired film itself can be maintained over a long period of time.

焼成前に分散溶液に混入されるフッ素樹脂として、ポリフッ化ビニリデンPVDFを用いることが好ましく、他にエチレンテトラフルオロエチレン共重合体ETFEを用いることも可能である。   Polyvinylidene fluoride PVDF is preferably used as the fluororesin mixed in the dispersion before firing, and ethylene tetrafluoroethylene copolymer ETFE can also be used.

フッ素樹脂としてポリフッ化ビニリデンPVDFを採用する場合には、分散溶液中にポリフッ化ビニリデンPVDFを固形分濃度として5重量%から29重量%の範囲で混入すれば、フッ素樹脂を混入しない焼成膜と比較して良好な通気性、発電特性が得られ、好ましくは5重量%〜25重量%の範囲、さらに好ましくは8重量%〜18重量%の範囲で混入することにより、良好な発電特性に加えて良好な保形性も確保できるようになる。   When adopting polyvinylidene fluoride PVDF as the fluororesin, if polyvinylidene fluoride PVDF is mixed in the dispersion in the range of 5% to 29% by weight as a solid content, it is compared with a fired film not containing fluororesin. Thus, good air permeability and power generation characteristics can be obtained, and by mixing in the range of preferably 5 wt% to 25 wt%, more preferably 8 wt% to 18 wt%, in addition to the good power generation characteristics Good shape retention can be secured.

また分散処理工程では、有機溶媒にカップスタック型カーボンナノチューブと導電性フィラーと樹脂バインダとフッ素樹脂を混合し、ペイントシェーカー等の分散装置を用いて30分から180分の範囲で分散処理することが好ましい。   In the dispersion treatment step, it is preferable that the cup stack type carbon nanotube, the conductive filler, the resin binder, and the fluororesin are mixed in an organic solvent, and the dispersion treatment is performed in a range of 30 to 180 minutes using a dispersion device such as a paint shaker. .

分散工程でフッ素樹脂を分散させることにより、フッ素が存在する焼成膜を製造する例を説明したが、有機溶媒にカーボンナノチューブと導電性フィラーと樹脂バインダを分散させた分散溶液を膜状に成形して乾燥させ、得られた膜を不活性ガス雰囲気下で焼成し、得られた焼成膜をフッ素樹脂溶液にディッピングし或はスプレー法でフッ素樹脂を含浸させて、再度焼成することによりフッ素が存在する焼成膜を製造するものであってもよく、成形して得られた膜にスプレー法でフッ素樹脂を含浸させた後に焼成処理して、フッ素が存在する焼成膜を製造するものであってもよい。   Although an example of manufacturing a fired film containing fluorine by dispersing a fluororesin in the dispersion step has been described, a dispersion solution in which carbon nanotubes, a conductive filler, and a resin binder are dispersed in an organic solvent is formed into a film shape. The resulting film is baked in an inert gas atmosphere, and the resulting baked film is dipped in a fluororesin solution or impregnated with a fluororesin by a spray method, and then baked again to present fluorine. A fired film may be manufactured, or a film obtained by molding may be impregnated with a fluororesin by a spray method and then fired to manufacture a fired film containing fluorine. Good.

従来の固体高分子型燃料電池用電極では、厚さが300から400μmのガス拡散層に数十μmの厚さの触媒担持層を形成していたため、電極の厚みが400μm以上になるが、本発明による焼成膜を用いれば電極の厚みを200μm程度の薄型に構成することができる。   In the conventional polymer electrolyte fuel cell electrode, since the catalyst support layer having a thickness of several tens of μm is formed in the gas diffusion layer having a thickness of 300 to 400 μm, the thickness of the electrode becomes 400 μm or more. If the fired film according to the invention is used, the thickness of the electrode can be reduced to about 200 μm.

有機溶媒N−メチルピロリドン(以下NMP)25.0gに、アクリル樹脂(古川化学工業製 BI−2107−SA)を3.2g、ポリフッ化ビニリデン(クレハ化学製 ♯850、以下「PVDF」と記す。)を0.8g、母材としてのカップスタック型カーボンナノチューブ(GSIクレオス提供、形式:24PS)と、母材より長さが短い導電性フィラーとしてのカップスタック型カーボンナノチューブ(GSIクレオス提供、形式:AR10)を、図4(a)に示すように、重量配分で混入して、それぞれペイントシェーカーで180分シェーク処理して分散溶液を得た。分散溶液固形分中のPVDFは17.2重量%である。   An organic resin N-methylpyrrolidone (hereinafter referred to as NMP) 25.0 g, acrylic resin (BI-2107-SA manufactured by Furukawa Chemical Co., Ltd.) 3.2 g, polyvinylidene fluoride (Kureha Chemical # 850, hereinafter referred to as “PVDF”). ) 0.8g, cup-stacked carbon nanotubes as a base material (GSI Creos provided, type: 24PS) and cup-stacked carbon nanotubes as a conductive filler shorter than the base material (GSI Creos provided, type: Type: As shown in FIG. 4 (a), AR10) was mixed by weight distribution, and each was shaken with a paint shaker for 180 minutes to obtain a dispersion solution. PVDF in the dispersion solids is 17.2% by weight.

ここに、カップスタック型カーボンナノチューブ(24PS)の平均長さは4.95μm、また、カップスタック型カーボンナノチューブ(AR10)の平均長さは0.89μmである。   Here, the average length of the cup-stacked carbon nanotube (24PS) is 4.95 μm, and the average length of the cup-stacked carbon nanotube (AR10) is 0.89 μm.

この溶液を、予め5cmとなるように区画したSUS板にキャスティングして約250μmの膜厚の板状体に成形した後、乾燥処理して板状体の膜を得た。その際、乾燥温度は140℃、乾燥時間は90分である。 This solution was cast on a SUS plate partitioned in advance to have a thickness of 5 cm 2 to form a plate-like body having a thickness of about 250 μm, and then dried to obtain a plate-like film. At that time, the drying temperature is 140 ° C. and the drying time is 90 minutes.

乾燥処理の後、板状体を焼成装置に投入し、窒素ガスの雰囲気下、約600℃の温度で1時間焼成して、アクリル樹脂、フッ素樹脂及びNMPを熱分解及び蒸発させて第1サンプルとしての二組の焼成膜を得た。   After the drying process, the plate-like body is put into a baking apparatus, and baking is performed at a temperature of about 600 ° C. for 1 hour in an atmosphere of nitrogen gas to thermally decompose and evaporate the acrylic resin, the fluororesin, and the NMP. Two sets of fired films were obtained.

図4(b)に示すように、上述と同様の条件で、母材より長さが短い導電性フィラーとしてのカーボンブラック(キャボット社提供、形式:バルカンXC72)を混入した第2サンプルとしての二組の焼成膜を作製した。   As shown in FIG. 4B, two samples as a second sample mixed with carbon black (provided by Cabot Corp., type: Vulcan XC72) as a conductive filler having a length shorter than that of the base material under the same conditions as described above. A set of fired films was prepared.

ここに、カーボンブラック(XC72)の二次粒子の平均長さは0.1μm以下である。   Here, the average length of the secondary particles of carbon black (XC72) is 0.1 μm or less.

比較例として、図4(a)及び(b)に示すように、上述と同様の条件で、導電性フィラーを混合しない母材のみの二組の焼成膜を比較サンプルとして作製した。   As a comparative example, as shown in FIGS. 4A and 4B, two sets of fired films of only a base material not mixed with a conductive filler were produced as comparative samples under the same conditions as described above.

このようにして得られた各焼成膜の細孔径分布を、バブルジェット法を用いて測定した。バブルジェット法とは、所定の溶液をサンプル表面から浸透させた後、外部より空気を流し込み、浸透した溶液をサンプルより除去させる際に発生する圧力の変化より、サンプル細孔径を測定する手法である(日本ベル社製、形式:Porometer 3G)。   The pore size distribution of each fired film thus obtained was measured using a bubble jet method. The bubble jet method is a method of measuring the sample pore diameter from a change in pressure generated when a predetermined solution is infiltrated from the sample surface, then air is introduced from the outside, and the infiltrated solution is removed from the sample. (Nippon Bell, Model: Porometer 3G).

その結果、図5、図6、図7、図8に示すように、第1サンプル、第2サンプル共に、比較サンプルより細孔径分布の最大ピーク(図中破線で囲んだ部分)が小さい方に移動する傾向があることが確認された。図9に、二組の第1サンプルと二組の第2サンプルのカップスタック型カーボンナノチューブと導電性フィラーの混合率による細孔径分布の最大ピーク値の変化を示す。   As a result, as shown in FIGS. 5, 6, 7, and 8, the first sample and the second sample both have a smaller maximum peak of the pore size distribution (portion surrounded by a broken line in the figure) than the comparative sample. It was confirmed that there was a tendency to move. FIG. 9 shows changes in the maximum peak value of the pore size distribution depending on the mixing ratio of the cup-stacked carbon nanotubes and the conductive filler of the two sets of the first sample and the two sets of the second sample.

以上の実施例を通じて、母材としてのカップスタック型カーボンナノチューブにカップスタック型カーボンナノチューブより長さが短い導電性フィラーを混合した焼成膜は、母材のみの焼成膜よりも細孔径分布の最大ピークが小さくなることが確認され、それだけ保水性を向上させることができることが確認された。   Through the above examples, a fired film obtained by mixing a cup-stacked carbon nanotube as a base material with a conductive filler having a shorter length than that of the cup-stacked carbon nanotube has a maximum peak in pore size distribution compared to a fired film only of the base material. It was confirmed that the water retention can be improved accordingly.

1:固体高分子型燃料電池
2,2a,2b:ガス拡散層
3,3a,3b:触媒層
4:触媒電極
4a:アノード触媒電極
4b:カソード触媒電極
6,6a,6b:触媒
7:イオン交換樹脂
8:固体高分子電解質膜
1: polymer electrolyte fuel cells 2, 2a, 2b: gas diffusion layers 3, 3a, 3b: catalyst layer 4: catalyst electrode 4a: anode catalyst electrode 4b: cathode catalyst electrodes 6, 6a, 6b: catalyst 7: ion exchange Resin 8: Solid polymer electrolyte membrane

Claims (10)

導電性及び通気性を有するガス拡散層と、触媒担持体に担持された触媒を含む触媒層とからなる固体高分子型燃料電池用電極であって、
前記ガス拡散層が、所定長さのカップスタック型カーボンナノチューブと前記カップスタック型カーボンナノチューブより長さが短い導電性フィラーが混合された焼成膜で構成されるとともに、前記触媒が前記触媒担持体として機能する前記焼成膜に担持されている固体高分子型燃料電池用電極。
An electrode for a polymer electrolyte fuel cell comprising a gas diffusion layer having electrical conductivity and air permeability, and a catalyst layer containing a catalyst supported on a catalyst carrier,
The gas diffusion layer is composed of a fired film in which a cup-stacked carbon nanotube having a predetermined length and a conductive filler having a shorter length than the cup-stacked carbon nanotube are mixed, and the catalyst serves as the catalyst carrier. An electrode for a polymer electrolyte fuel cell supported on the functioning fired film.
導電性及び通気性を有するガス拡散層と、触媒担持体に担持された触媒を含む触媒層とからなる固体高分子型燃料電池用電極であって、
前記ガス拡散層が、所定長さのカップスタック型カーボンナノチューブと前記カップスタック型カーボンナノチューブより長さが短い導電性フィラーが混合された焼成膜で構成され、前記焼成膜の細孔径分布の最大ピーク値が0.08μmから0.18μmの範囲に調整されているとともに、前記触媒が前記触媒担持体として機能する前記焼成膜に担持されている固体高分子型燃料電池用電極。
An electrode for a polymer electrolyte fuel cell comprising a gas diffusion layer having electrical conductivity and air permeability, and a catalyst layer containing a catalyst supported on a catalyst carrier,
The gas diffusion layer is composed of a fired film in which a cup-stacked carbon nanotube having a predetermined length and a conductive filler having a shorter length than the cup-stacked carbon nanotube are mixed, and the maximum peak of the pore size distribution of the fired film A polymer electrolyte fuel cell electrode in which a value is adjusted in a range of 0.08 μm to 0.18 μm, and the catalyst is supported on the fired film functioning as the catalyst support.
前記カップスタック型カーボンナノチューブと前記導電性フィラーの混合重量に対して、前記導電性フィラーの混合率が50重量%以下である請求項1または2記載の固体高分子型燃料電池用電極。   3. The electrode for a solid polymer fuel cell according to claim 1, wherein a mixing ratio of the conductive filler is 50% by weight or less with respect to a mixed weight of the cup-stacked carbon nanotube and the conductive filler. 前記導電性フィラーの長さが前記カップスタック型カーボンナノチューブの長さの1/2以下である請求項1から3の何れかに記載の固体高分子型燃料電池用電極。   The electrode for a solid polymer fuel cell according to any one of claims 1 to 3, wherein the length of the conductive filler is ½ or less of the length of the cup-stacked carbon nanotube. 前記カップスタック型カーボンナノチューブが長さ0.5〜10μmであり、前記導電性フィラーが長さ1μm以下である請求項4記載の固体高分子型燃料電池用電極。   The electrode for a solid polymer fuel cell according to claim 4, wherein the cup-stacked carbon nanotube has a length of 0.5 to 10 µm, and the conductive filler has a length of 1 µm or less. 前記導電性フィラーがカーボンナノチューブ、カーボンブラック、グラファイト、黒鉛、金属、金属酸化物の何れかから選択される請求項1から5の何れかに記載の固体高分子型燃料電池用電極。   6. The polymer electrolyte fuel cell electrode according to any one of claims 1 to 5, wherein the conductive filler is selected from carbon nanotubes, carbon black, graphite, graphite, metal, and metal oxide. 請求項1から6の何れかに記載の固体高分子型燃料電池用電極に用いる焼成膜の製造方法であって、
有機溶媒にカップスタック型カーボンナノチューブと前記カップスタック型カーボンナノチューブより長さが短い導電性フィラーと樹脂バインダを分散させる分散処理工程と、前記分散処理工程で得られた分散溶液を膜状に成形して乾燥させる成形工程と、前記成形工程で得られた膜を不活性ガス雰囲気下で焼成する焼成工程とからなる焼成膜の製造方法。
A method for producing a fired film used for the electrode for a polymer electrolyte fuel cell according to any one of claims 1 to 6,
A dispersion treatment step of dispersing a cup-stacked carbon nanotube, a conductive filler having a shorter length than the cup-stacked carbon nanotube and a resin binder in an organic solvent, and a dispersion solution obtained in the dispersion treatment step are formed into a film shape A method for producing a fired film, comprising: a molding step for drying and a firing step for firing the film obtained in the molding step in an inert gas atmosphere.
請求項1から6の何れかに記載の固体高分子型燃料電池用電極を、固体高分子型燃料電池のアノード側電極として使用する固体高分子型燃料電池用電極の使用方法。   A method for using an electrode for a polymer electrolyte fuel cell, wherein the electrode for a polymer electrolyte fuel cell according to any one of claims 1 to 6 is used as an anode side electrode of the polymer electrolyte fuel cell. 導電性及び通気性を有するガス拡散層がカップスタック型カーボンナノチューブを母材とする焼成膜で構成され、前記焼成膜に触媒が担持されている電極が組み込まれた固体高分子型燃料電池であって、アノード側電極に用いられる焼成膜の細孔径分布の最大ピーク値が、カソード側電極に用いられる焼成膜の細孔径分布の最大ピーク値よりも小さく調整されている固体高分子型燃料電池。   A solid polymer fuel cell in which a gas diffusion layer having conductivity and air permeability is composed of a fired film using a cup-stacked carbon nanotube as a base material, and an electrode carrying a catalyst is incorporated in the fired film. A polymer electrolyte fuel cell in which the maximum peak value of the pore size distribution of the fired membrane used for the anode side electrode is adjusted to be smaller than the maximum peak value of the pore size distribution of the fired membrane used for the cathode side electrode. 請求項1から6の何れかに記載の固体高分子型燃料電池用電極がアノード側電極に用いられている請求項10記載の固体高分子型燃料電池。   The polymer electrolyte fuel cell according to claim 10, wherein the electrode for a polymer electrolyte fuel cell according to claim 1 is used as an anode-side electrode.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2016534226A (en) * 2013-08-23 2016-11-04 コミサリヤ・ア・レネルジ・アトミク・エ・オ・エネルジ・アルテルナテイブ Active layer / membrane arrangement for hydrogen production apparatus, joined body including the arrangement suitable for porous current collector, and method for producing the arrangement

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