JP3382213B2 - Method for producing gas diffusion electrode for polymer electrolyte fuel cell - Google Patents

Method for producing gas diffusion electrode for polymer electrolyte fuel cell

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JP3382213B2
JP3382213B2 JP2000240301A JP2000240301A JP3382213B2 JP 3382213 B2 JP3382213 B2 JP 3382213B2 JP 2000240301 A JP2000240301 A JP 2000240301A JP 2000240301 A JP2000240301 A JP 2000240301A JP 3382213 B2 JP3382213 B2 JP 3382213B2
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diffusion electrode
polymer electrolyte
fuel cell
electrolyte fuel
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誠 内田
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Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、高分子電解質型燃
料電池に用いるガス拡散電極の製造方法、および当該ガ
ス拡散電極を含む高分子電解質型燃料電池に関する。
TECHNICAL FIELD The present invention relates to a method for producing a gas diffusion electrode used in a polymer electrolyte fuel cell, and a polymer electrolyte fuel cell including the gas diffusion electrode.

【0002】[0002]

【従来の技術】高分子電解質型燃料電池に使用される電
極は、高分子電解質膜の両面において、高分子電解質膜
の表面に形成される触媒層と、この触媒層の外側に形成
されるガス拡散電極とからなる構造を有する。そして、
ガス拡散電極に求められる性能としては、例えばガス拡
散性、触媒層で発生した電気を集電するための導電性、
および触媒層表面に発生した水分を効率よく除去する撥
水性などがあげられる。このようなガス拡散電極を得る
ため、一般的に、ガス拡散能および導電性を兼ね備えた
導電性多孔質基材が用いられる。具体的には、炭素繊維
からなるカーボンフェルト、カーボンペーパーおよびカ
ーボンクロスなどが用いられる。また、これら導電性多
孔質基材の撥水性を高めるために、フッ素樹脂ディスパ
ージョンなどに浸漬する撥水処理が一般的に行われてい
る。より具体的には、これらの撥水処理化されたガス拡
散電極は、導電性多孔質基材をフッ素樹脂のディスパー
ジョンなどに浸漬した後、焼成することによってフッ素
樹脂以外の水分および界面活性剤などを取り除いて作製
される。
2. Description of the Related Art Electrodes used in polymer electrolyte fuel cells are composed of a catalyst layer formed on the surface of the polymer electrolyte membrane on both sides of the polymer electrolyte membrane and a gas formed outside the catalyst layer. It has a structure including a diffusion electrode. And
As the performance required for the gas diffusion electrode, for example, gas diffusivity, conductivity for collecting electricity generated in the catalyst layer,
And water repellency for efficiently removing water generated on the surface of the catalyst layer. In order to obtain such a gas diffusion electrode, generally, a conductive porous base material having both gas diffusing ability and conductivity is used. Specifically, carbon felt made of carbon fiber, carbon paper, carbon cloth and the like are used. Further, in order to enhance the water repellency of these conductive porous substrates, a water repellent treatment of immersing in a fluororesin dispersion or the like is generally performed. More specifically, these water-repellent treated gas diffusion electrodes are prepared by immersing a conductive porous substrate in a fluororesin dispersion or the like, and then firing it to obtain moisture and a surfactant other than the fluororesin. It is made by removing the above.

【0003】一方、このようなガス拡散電極を用いて高
分子電解質型燃料電池を得る際には、ガス拡散電極と高
分子電解質膜との間に触媒層が設けられるが、触媒層が
ガス拡散電極中へ落ち込むことを防止するために、ま
た、さらなる撥水性を付与するために、ガス拡散電極を
構成する導電性多孔質基材の上にカーボンを主成分とす
るカーボン層を設けることも一般的に行われている。す
なわち、撥水処理後の導電性多孔質基材上に、カーボン
ブラックなどの炭素粉末を含む水系インクを、例えばス
プレー法または印刷法などを用いて塗布し、一部が導電
性多孔質基材に含浸して侵入したカーボン層を形成する
ことが行われている。この場合も、水分や界面活性剤な
どを取り除くために、塗布後に焼成処理が行われてい
る。
On the other hand, when a polymer electrolyte fuel cell is obtained by using such a gas diffusion electrode, a catalyst layer is provided between the gas diffusion electrode and the polymer electrolyte membrane. In order to prevent falling into the electrode and to impart further water repellency, it is also common to provide a carbon layer containing carbon as a main component on the conductive porous substrate that constitutes the gas diffusion electrode. Is done in a regular manner. That is, a water-based ink containing carbon powder such as carbon black is applied onto the conductive porous substrate after the water repellent treatment by using, for example, a spray method or a printing method, and a part of the conductive porous substrate is coated. It has been practiced to form a carbon layer which is impregnated into and penetrates into. Also in this case, baking treatment is performed after coating in order to remove water and surfactant.

【0004】[0004]

【発明が解決しようとする課題】しかし、従来の技術に
おいては、撥水処理工程およびカーボン層形成工程は別
個に行われており、両方の工程をどのように組み合わせ
て用いれば効率よく優れたガス拡散電極が得られるのか
は、明確にされていなかった。例えば、導電性多孔質基
材を撥水処理した後にカーボン層を形成する場合、基材
が撥水性を有しているため、水系のカーボンインクを用
いると、基材上でインクが弾かれ、均一に塗布すること
ができなくなるおそれがある。また、仮に塗布ができた
としても、基材上においてカーボン層が完全に浮いてし
まい、水たまりのような状態となるため、乾燥時にカー
ボン層が割れたり剥離したりする危険性が高いという問
題がある。さらに、このようにして得られるガス拡散電
極を含む電極を有する燃料電池を作製した場合、電極面
内の撥水性にバラツキが発生して電池特性が低下してし
まうという問題もある。
However, in the prior art, the water-repellent treatment step and the carbon layer forming step are performed separately, and it is possible to efficiently and efficiently use the excellent gas by combining both steps. It was not clear whether a diffusion electrode could be obtained. For example, when the carbon layer is formed after the conductive porous substrate is subjected to water repellent treatment, the substrate has water repellency. Therefore, when a water-based carbon ink is used, the ink is repelled on the substrate, It may not be possible to apply it uniformly. Further, even if coating is possible, since the carbon layer is completely floated on the base material and becomes a state like a puddle, there is a high risk that the carbon layer will be cracked or peeled off during drying. is there. Furthermore, when a fuel cell having an electrode including the gas diffusion electrode obtained in this manner is produced, there is a problem that the water repellency in the electrode surface varies and the cell characteristics deteriorate.

【0005】なお、塗工性を向上させるために界面活性
剤などの添加物をインクに混ぜた場合、塗工後、界面活
性剤をとばすために焼成する必要があり、さらにカーボ
ン層中にPTFEディスパージョンのような撥水剤を混
合している場合も、同様に塗工後に焼成を行う必要があ
る。そこで、本発明は、このような撥水処理工程および
カーボン層形成工程の利害得失を考慮し、これらの2つ
の工程を効率よく組合せ、優れた撥水性および均一なカ
ーボン層を有し、優れた電池特性を有する高分子電解質
型燃料電池を提供し得る電極用ガス拡散電極の製造方法
を提供することを目的とする。
When an additive such as a surfactant is mixed in the ink to improve the coating property, it is necessary to bake the composition to remove the surfactant after the coating, and further the PTFE in the carbon layer. Even when a water repellent such as dispersion is mixed, it is necessary to similarly perform baking after coating. Therefore, in consideration of the advantages and disadvantages of the water repellent treatment step and the carbon layer forming step, the present invention efficiently combines these two steps, has an excellent water repellency and a uniform carbon layer, and is excellent. An object of the present invention is to provide a method for manufacturing a gas diffusion electrode for an electrode, which can provide a polymer electrolyte fuel cell having cell characteristics.

【0006】[0006]

【課題を解決するための手段】本発明は、(a)導電性
多孔質基材を、界面活性剤を含む撥水処理液中に浸漬す
る工程、(b)前記導電性多孔質基材を、前記導電性多
孔質基材から前記界面活性剤が除去されない温度で乾燥
する工程、(c)前記導電性多孔質基材上にカーボン層
を形成する工程、および(d)前記カーボン層を有する
導電性多孔質基材を焼成する工程を、工程(a)〜
(d)の順に有する高分子電解質型燃料電池用ガス拡散
電極の製造方法に関する。この場合、工程(b)におい
ては、50〜120度の温度雰囲気下で乾燥するのが好
ましい。また、工程(d)においては、250〜400
℃の温度雰囲気下で焼成するのが好ましい。さらに、工
程(a)において、前記撥水処理液がフッ素樹脂を含む
のが好ましい。なお、前記導電性多孔質基材としては、
例えばカーボンペーパー、カーボンクロスおよびカーボ
ンフェルトなどを用いるのが好ましい。また、工程
(c)において、導電性多孔質基材上にカーボン層を形
成するためには、例えばスクリーン印刷法、スプレー
法、カーテンコーティング法またはロールコート法を用
いるのが好ましい。
According to the present invention, (a) a step of immersing a conductive porous substrate in a water repellent treatment liquid containing a surfactant , and (b) the conductive porous substrate. , The conductive poly
Drying at a temperature at which the surfactant is not removed from the porous base material, (c) forming a carbon layer on the conductive porous base material, and (d) a conductive porous material having the carbon layer. The steps of firing the base material include steps (a) to
The present invention relates to a method for manufacturing a gas diffusion electrode for a polymer electrolyte fuel cell, which has the order of (d). In this case, in the step (b), it is preferable to dry in a temperature atmosphere of 50 to 120 degrees. Further, in the step (d), 250 to 400
The firing is preferably performed in a temperature atmosphere of ° C. Furthermore, in the step (a), the water repellent treatment liquid preferably contains a fluororesin. As the conductive porous substrate,
For example, it is preferable to use carbon paper, carbon cloth and carbon felt. Further, in the step (c), in order to form the carbon layer on the conductive porous substrate, it is preferable to use, for example, a screen printing method, a spray method, a curtain coating method or a roll coating method.

【0007】つぎに、本発明は、高分子電解質膜、前記
高分子電解質膜を挟むアノードおよびカソード、前記ア
ノードに燃料ガスを供給するガス流路を有するアノード
側導電性セパレータ板、ならびに前記カソードに酸化剤
ガスを供給するガス流路を有するカソード側導電性セパ
レータ板を具備する高分子電解質型燃料電池であって、
前記アノードおよびカソードが、上記高分子電解質型燃
料電池用ガス拡散電極の製造方法により得られるガス拡
散電極からなる高分子電解質型燃料電池に関する。この
場合、前記アノードのガス拡散電極と前記カソードのガ
ス拡散電極のフッ素樹脂含量が異なるのが好ましい。
Next, the present invention provides a polymer electrolyte membrane, an anode and a cathode sandwiching the polymer electrolyte membrane, an anode-side conductive separator plate having a gas flow path for supplying a fuel gas to the anode, and the cathode. A polymer electrolyte fuel cell comprising a cathode-side conductive separator plate having a gas flow path for supplying an oxidant gas,
The present invention relates to a polymer electrolyte fuel cell in which the anode and the cathode are gas diffusion electrodes obtained by the method for producing a gas diffusion electrode for a polymer electrolyte fuel cell. In this case, it is preferable that the gas diffusion electrode of the anode and the gas diffusion electrode of the cathode have different fluororesin contents.

【0008】[0008]

【発明の実施の形態】本発明に係る高分子電解質型燃料
電池用ガス拡散電極の製造方法について、工程順に説明
する。まず、工程(a)において、導電性多孔質基材を
撥水処理液中に浸漬する。導電性多孔質基材としては、
高分子電解質型燃料電池において触媒層と共に電極(ア
ノードおよびカソード)を構成する従来からのシート状
のものを用いることができ、例えば金属製多孔質基材お
よびカーボン製多孔質基材などがあげられる。なかで
も、優れた電気伝導性を有し、ガス拡散能が高いという
点から、例えば炭素繊維からなるカーボンペーパー、カ
ーボンクロスおよびカーボンフェルトなどを用いるのが
好ましい。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION A method for manufacturing a gas diffusion electrode for a polymer electrolyte fuel cell according to the present invention will be described in the order of steps. First, in step (a), the conductive porous substrate is immersed in the water repellent treatment liquid. As the conductive porous substrate,
In the polymer electrolyte fuel cell, a conventional sheet-like material that constitutes an electrode (anode and cathode) together with a catalyst layer can be used, and examples thereof include a metal porous base material and a carbon porous base material. . Among them, it is preferable to use, for example, carbon paper, carbon cloth and carbon felt made of carbon fiber because they have excellent electric conductivity and high gas diffusion ability.

【0009】つぎに、撥水処理液は、前記導電性多孔質
基材に撥水性を付与するために用いられている従来から
のものであればよく、例えば、フッ素樹脂の水性ディス
パージョン、フッ素樹脂のアルコールディスパージョン
などがあげられる。なかでも、乾燥時の排ガス処理の容
易さからは、フッ素樹脂の水性ディスパージョンである
のが好ましい。フッ素樹脂としては、例えばテトラフル
オロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体、ポ
リテトラフルオロエチレン(PTFE)、テトラフルオ
ロエチレン−エチレン共重合体などがあげられる。浸漬
の方法および条件としては、撥水処理液が導電性多孔質
基材中に充分に含浸する範囲であれば特に制限はなく、
当業者であれば適宜選択することができる。
Next, the water repellent treatment liquid may be a conventional one used for imparting water repellency to the conductive porous substrate, for example, an aqueous dispersion of fluororesin or fluorine. Examples include alcohol dispersion of resin. Among them, an aqueous dispersion of a fluororesin is preferable from the viewpoint of easy exhaust gas treatment during drying. Examples of the fluororesin include tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer, polytetrafluoroethylene (PTFE), tetrafluoroethylene-ethylene copolymer and the like. The dipping method and conditions are not particularly limited as long as the water-repellent treatment liquid is sufficiently impregnated in the conductive porous substrate,
Those skilled in the art can appropriately select.

【0010】つぎに、工程(b)において、工程(a)
で撥水処理液に浸漬した導電性多孔質基材を取り出して
乾燥する。乾燥温度は、ディスパージョン中の界面活性
剤以外の溶剤ないし分散媒(例えば水またはアルコール
など)を速やかに乾燥するという理由から、50〜12
0℃であればよく、さらに80〜100℃であるのが好
ましい。また、乾燥時間は、乾燥温度によって異なる
が、工程管理上の時間の短縮という理由から、20〜9
0分間程度であればよい。
Next, in the step (b), the step (a)
The conductive porous substrate immersed in the water repellent treatment liquid is taken out and dried. The drying temperature is 50 to 12 because the solvent or dispersion medium other than the surfactant in the dispersion is quickly dried (for example, water or alcohol).
It may be 0 ° C, and preferably 80 to 100 ° C. The drying time varies depending on the drying temperature, but is 20 to 9 for the reason of shortening the process control time.
It may be about 0 minutes.

【0011】工程(c)においては、カーボンインク
を、乾燥した導電性多孔質基材上に塗布してカーボン層
を形成する。ここで用いるカーボンインクは水系のもの
であり、カーボンとしては、例えばアセチレンブラック
(例えば電気化学工業(株)製のデンカブラック)、ケ
ッチェンブラック(例えばライオン(株)製のKetj
en Black EC)、ファーネスブラック(例え
ばCABOT社製のバルカンXC72)などを用いるこ
とができる。水系カーボンインクを得るためには、カー
ボンブラックに水を混合するが、このとき、カーボンブ
ラックの濡れ性をよくして分散性を向上させるために界
面活性剤を添加するのが好ましい。かかる界面活性剤と
しては、例えばオクチルフェノキシポリエトキシエタノ
ール(例えばACROS ORGANICS社製のTr
iton X−100)、アルキルエーテル、アルキル
フェニルエーテルなどがあげられる。カーボンブラック
の一次粒径としては、本発明の効果を損なわない範囲で
あればよいが、30〜40nmであるのが好ましい。
In step (c), the carbon ink is applied onto the dried conductive porous substrate to form a carbon layer. The carbon ink used here is water-based, and examples of carbon include acetylene black (for example, Denka Black manufactured by Denki Kagaku Kogyo Co., Ltd.) and Ketjen Black (for example, Ketj manufactured by Lion Co., Ltd.).
en Black EC), furnace black (for example, Vulcan XC72 manufactured by CABOT Co., Ltd.) and the like can be used. In order to obtain the water-based carbon ink, water is mixed with carbon black. At this time, it is preferable to add a surfactant in order to improve the wettability of carbon black and improve the dispersibility. As such a surfactant, for example, octylphenoxypolyethoxyethanol (for example, Tr manufactured by ACROS ORGANICS
Iton X-100), alkyl ether, alkyl phenyl ether and the like. The primary particle size of carbon black may be in the range that does not impair the effects of the present invention, but is preferably 30 to 40 nm.

【0012】なお、本発明の効果を損なわない範囲であ
れば、例えば撥水剤、高分子電解質などの添加剤をカー
ボンインクに混合してもよい。導電性多孔質基材上にカ
ーボン層を形成する方法としては、従来公知の方法を用
いることができ、例えばスクリーン印刷法、スプレー
法、カーテンコーティング法およびロールコート法など
があげられる。また、塗布後は、塗布方法によって異な
るが、例えば60℃で30分間という条件で乾燥する。
Additives such as a water repellent and a polymer electrolyte may be mixed with the carbon ink as long as the effects of the present invention are not impaired. As a method for forming the carbon layer on the conductive porous substrate, a conventionally known method can be used, and examples thereof include a screen printing method, a spray method, a curtain coating method and a roll coating method. After coating, the coating is dried, for example, at 60 ° C. for 30 minutes, although it depends on the coating method.

【0013】ついで、工程(d)において、前記カーボ
ン層を有する導電性多孔質基材を焼成し、高分子電解質
型燃料電池用ガス拡散電極を得る。このときの焼成は、
界面活性剤を完全に除去するという理由から、250〜
400℃の温度雰囲気下、さらには、300〜380℃
の温度雰囲気下で焼成するのが好ましい。また、焼成時
間は、焼成温度によって異なるが、界面活性剤をすべて
除去できる程度の時間という点から、30〜120分間
程度であればよい。
Next, in step (d), the conductive porous substrate having the carbon layer is fired to obtain a gas diffusion electrode for a polymer electrolyte fuel cell. The firing at this time is
250 to 250 because of the complete removal of the surfactant.
In a temperature atmosphere of 400 ° C, further 300 to 380 ° C
It is preferable to perform the firing in an atmosphere of temperature. Although the firing time varies depending on the firing temperature, it may be about 30 to 120 minutes from the point of time to remove all the surfactant.

【0014】上述のようにして得られる導電性多孔質基
材からなるガス拡散電極は、優れた撥水性を有し、また
導電性多孔質基材上には均一にかつ確実にカーボン層が
形成される。このようなガス拡散電極に触媒層を形成し
てアノードおよびカソードに用いれば、電池特性の良好
な高分子電解質型燃料電池を得ることができる。したが
って、本発明は、高分子電解質膜、前記高分子電解質膜
を挟むアノードおよびカソード、前記アノードに燃料ガ
スを供給するガス流路を有するアノード側導電性セパレ
ータ板、ならびに前記カソードに酸化剤ガスを供給する
ガス流路を有するカソード側導電性セパレータ板を具備
する高分子電解質型燃料電池であって、前記アノードお
よびカソードが、上記高分子電解質型燃料電池用ガス拡
散電極の製造方法により得られるガス拡散電極を含む高
分子電解質型燃料電池にも関する。
The gas diffusion electrode made of the conductive porous substrate obtained as described above has excellent water repellency, and a carbon layer is uniformly and surely formed on the conductive porous substrate. To be done. By forming a catalyst layer on such a gas diffusion electrode and using it as an anode and a cathode, a polymer electrolyte fuel cell having good cell characteristics can be obtained. Therefore, the present invention provides a polymer electrolyte membrane, an anode and a cathode sandwiching the polymer electrolyte membrane, an anode-side conductive separator plate having a gas flow path for supplying a fuel gas to the anode, and an oxidant gas to the cathode. A polymer electrolyte fuel cell comprising a cathode-side conductive separator plate having a gas flow path to be supplied, wherein the anode and cathode are obtained by the method for producing a gas diffusion electrode for a polymer electrolyte fuel cell. It also relates to a polymer electrolyte fuel cell including a diffusion electrode.

【0015】この場合、電池内部での水分バランスを良
好に保つという点から、焼成後の前記アノードのガス拡
散電極と前記カソードのガス拡散電極のフッ素樹脂含量
が異なるのが好ましい。ただし、燃料電池の運転条件や
環境により水分バランスが異なるため、本発明の効果を
損なわない範囲で、これに合わせてアノードおよびカソ
ードのガス拡散電極のフッ素樹脂含量のバランスを適宜
変更することができる。具体的には、カソードで発生す
る水を効率よく除去するという観点から、例えばアノー
ドのガス拡散電極のフッ素樹脂含量を5〜30重量%と
し、カソードのガス拡散電極のフッ素樹脂含量を30〜
50重量%とするのが好ましい。このように、電極のフ
ッ素樹脂含量を調節するためには、上記ガス拡散電極の
製造方法の工程(a)において、撥水処理液に含有させ
るフッ素樹脂の量を適宜調整すればよい。
In this case, it is preferable that the content of the fluororesin in the gas diffusion electrode of the anode and the content of the fluorocarbon resin in the gas diffusion electrode of the cathode after firing are different from the viewpoint of keeping a good water balance inside the battery. However, since the water balance varies depending on the operating conditions and environment of the fuel cell, the balance of the fluororesin content of the gas diffusion electrodes of the anode and the cathode can be appropriately changed within a range that does not impair the effects of the present invention. . Specifically, from the viewpoint of efficiently removing water generated in the cathode, for example, the content of the fluororesin in the gas diffusion electrode of the anode is set to 5 to 30% by weight, and the content of the fluororesin in the gas diffusion electrode of the cathode is set to 30 to 30% by weight.
It is preferably 50% by weight. In this way, in order to adjust the fluororesin content of the electrode, the amount of fluororesin contained in the water repellent treatment liquid may be appropriately adjusted in step (a) of the method for producing a gas diffusion electrode.

【0016】そのほか、高分子電解質膜、アノードに燃
料ガスを供給するガス流路を有するアノード側導電性セ
パレータ板、および前記カソードに酸化剤ガスを供給す
るガス流路を有するカソード側導電性セパレータ板など
については、従来公知のものを用いればよい。また、本
発明の高分子電解質型燃料電池も、ガス拡散電極の製造
方法を除いて、従来公知の方法で作製することができ
る。さらに、本発明のガス拡散電極を製造する場合、お
よび燃料電池を製造する場合には、各工程を別々に行う
こともできるが、すべての工程を一つのライン上で行
い、連続的に製造することもできる。その他にも、本発
明の効果を損なわない範囲で種々の設計変更が可能であ
る。
Besides, a polymer electrolyte membrane, an anode side conductive separator plate having a gas flow path for supplying a fuel gas to the anode, and a cathode side conductive separator plate having a gas flow path for supplying an oxidant gas to the cathode. For the above, a conventionally known one may be used. Further, the polymer electrolyte fuel cell of the present invention can also be manufactured by a conventionally known method except for the method for manufacturing the gas diffusion electrode. Furthermore, when manufacturing the gas diffusion electrode of the present invention and when manufacturing a fuel cell, each step can be performed separately, but all steps are performed on one line to produce continuously. You can also Besides, various design changes can be made within a range that does not impair the effects of the present invention.

【0017】[0017]

【実施例】以下に、実施例を用いて図面を参照しながら
本発明を具体的に説明するが、本発明はこれらのみに限
定されるものではない。 《実施例1および比較例1》まず、テトラフルオロエチ
レンとヘキサフルオロプロピレン共重合体の水性ディス
パージョン(ダイキン工業(株)製のND−1)と水
を、前記共重合体と水の体積比が1:1となるように混
合し、撥水処理液Aを作製した。つぎに、導電性多孔質
基材として所定の寸法に切断したカーボンペーパー(東
レ(株)製のTGP−H−120)を密閉容器内に設置
し、容器内を減圧した。その後、減圧状態の容器内に撥
水処理液Aを導入し、カーボンペーパーを撥水処理液A
中に10分間浸漬した。10分後、浸漬したカーボンペ
ーパーを取り出し、乾燥器に設置して水分を充分に蒸発
させた。この乾燥器の温度は90℃で、乾燥時間は90
分間とした。
EXAMPLES The present invention will be described below in detail with reference to the drawings using examples, but the present invention is not limited thereto. << Example 1 and Comparative Example 1 >> First, an aqueous dispersion of tetrafluoroethylene and a hexafluoropropylene copolymer (ND-1 manufactured by Daikin Industries, Ltd.) and water, and a volume ratio of the copolymer and water. Was mixed to give a water repellent treatment liquid A. Next, carbon paper (TGP-H-120 manufactured by Toray Industries, Inc.) cut into a predetermined size as a conductive porous substrate was placed in a closed container, and the inside of the container was depressurized. After that, the water-repellent treatment liquid A is introduced into the depressurized container, and the carbon paper is treated with water-repellent treatment liquid A
It was immersed in it for 10 minutes. After 10 minutes, the immersed carbon paper was taken out and placed in a dryer to evaporate water sufficiently. The temperature of this dryer is 90 ° C and the drying time is 90
Minutes.

【0018】乾燥後のカーボンペーパーを取り出し、水
系カーボンインクを塗布した。アセチレンブラック、水
および界面活性剤(TritonX−100)を15:
1:84の重量比で混合して水系カーボンインクAを作
製し、スプレー塗布装置を用いて乾燥後のカーボンペー
パー上に塗布した。ここで、比較のために、カーボンペ
ーパーを乾燥後、360℃で1時間焼成したものについ
ても水系カーボンインクAを塗布した。このとき、撥水
処理後に乾燥だけを行ったカーボンペーパー上に水系カ
ーボンインクAを塗布したものは、表面状態が均一で、
50℃の乾燥器に入れて乾燥させた後も、ひび割れなど
もなく均一なカーボン層を形成することができた。これ
に対し、焼成処理を行ったカーボンペーパー上に水系カ
ーボンインクAを塗布したものは、カーボンインクが全
くカーボンペーパー内に含浸せず、カーボン層がカーボ
ンペーパー表面に浮いた状態になり、一部には弾いてる
部分も見られた。これを先と同様に50℃の乾燥器中で
乾燥させたところ、カーボン層にひび割れが発生した。
The dried carbon paper was taken out and coated with a water-based carbon ink. Acetylene black, water and surfactant (Triton X-100) 15:
Aqueous carbon ink A was prepared by mixing in a weight ratio of 1:84, and was applied onto dried carbon paper using a spray application device. Here, for comparison, the water-based carbon ink A was applied to a carbon paper which was dried and then baked at 360 ° C. for 1 hour. At this time, when the water-based carbon ink A is applied to the carbon paper which is dried only after the water repellent treatment, the surface condition is uniform,
Even after being placed in a dryer at 50 ° C. and dried, a uniform carbon layer could be formed without cracks or the like. On the other hand, in the case where the water-based carbon ink A is applied to the carbon paper that has been subjected to the firing treatment, the carbon ink is not impregnated into the carbon paper at all, and the carbon layer is in a state of floating on the surface of the carbon paper. There was also a part where I was playing. When this was dried in a dryer at 50 ° C. as before, cracks were generated in the carbon layer.

【0019】これらのカーボン層付きカーボンペーパー
を360℃で90分間焼成し、フッ素樹脂以外のものを
除去した。ここで、ガス拡散電極Aのフッ素樹脂含量
は、33重量%であった。このようにして作製したガス
拡散電極AおよびBで、両面に触媒層(50%Pt担持
カーボンと高分子電解質からなる層)を有する高分子電
解質膜(米国DuPont社製のNafion膜)を挟
んで単電池を構成し、単電池試験装置にセットして電池
性能を調べた。なお、前記単電池においては、ガス拡散
電極と触媒層とが電極を構成する。この試験において
は、作製した単電池のアノードに水素ガスを、カソード
には空気を流し、電池温度を80℃、燃料利用率を80
%、空気利用率を40%として作動した。また、加湿は
水素ガスを75℃、空気を60℃の露点になるように調
整した。ここで、図1に、ガス拡散電極Aまたはガス拡
散電極Bを用いた単電池の電池特性である電流密度と電
池電圧の関係を示す。図1から明らかなように、ガス拡
散電極Aを用いた方が電池特性は向上することが分か
る。これは、ガス拡散電極Bを用いた場合、カーボン層
の均一性が不充分で、触媒層とカーボン層の間の接触が
低下したためであると考えられる。
These carbon papers with carbon layers were baked at 360 ° C. for 90 minutes to remove anything other than fluororesin. Here, the fluororesin content of the gas diffusion electrode A was 33% by weight. The gas diffusion electrodes A and B produced in this manner sandwich a polymer electrolyte membrane (Nafion membrane manufactured by DuPont, USA) having a catalyst layer (a layer composed of 50% Pt-carrying carbon and a polymer electrolyte) on both sides. A single cell was constructed and set in a single cell test device to examine the battery performance. In the unit cell, the gas diffusion electrode and the catalyst layer form an electrode. In this test, hydrogen gas was passed through the anode and air was passed through the cathode of the prepared unit cell at a cell temperature of 80 ° C. and a fuel utilization rate of 80%.
%, And the air utilization rate was 40%. The humidification was adjusted so that the hydrogen gas had a dew point of 75 ° C. and the air had a dew point of 60 ° C. Here, FIG. 1 shows the relationship between the battery voltage and the current density, which is the battery characteristic of the unit cell using the gas diffusion electrode A or the gas diffusion electrode B. As is clear from FIG. 1, the battery characteristics are improved when the gas diffusion electrode A is used. This is considered to be because when the gas diffusion electrode B was used, the uniformity of the carbon layer was insufficient and the contact between the catalyst layer and the carbon layer was reduced.

【0020】《実施例2および3》カーボンペーパーの
かわりにカーボンクロス(日本カーボン(株)製のGF
−20−P7)またはカーボンフェルトを用いた他は、
実施例1と同様にして作製したガス拡散電極を用いて電
池を作製し、その電池特性を調べた。結果はカーボンペ
ーパー使用時とほぼ同様で、撥水処理後、焼成処理を行
い、カーボン層を形成した比較例1のものの方が電池特
性が劣っていた。
Examples 2 and 3 Instead of carbon paper, carbon cloth (GF manufactured by Nippon Carbon Co., Ltd.)
-20-P7) or using carbon felt,
A battery was manufactured using the gas diffusion electrode manufactured in the same manner as in Example 1, and the battery characteristics were examined. The results were almost the same as when carbon paper was used, and the battery characteristics of Comparative Example 1 in which the carbon layer was formed by performing the water repellent treatment and the firing treatment were inferior.

【0021】《実施例4〜10》つぎに、カーボンペー
パーを撥水処理液Aに浸漬した後、乾燥させる場合の乾
燥温度を20〜150℃の範囲で、20、40、60、
80、100、120または140℃に変えた場合につ
いて検討した。乾燥温度が50℃以下の場合、乾燥にか
かる時間としては少なくとも10時間以上必要であっ
た。また、120℃を超える温度で乾燥させた場合、カ
ーボンペーパーが破壊する現象が見られた。これはカー
ボンペーパー中に入り込んだ水分が、沸点以上の高温に
さらされて体積を大きく変化させたために生じたものと
考えられる。乾燥時間短縮とカーボンペーパー破損回避
を考慮した場合、乾燥温度は50〜120℃の範囲が最
適であると考えられる。
Examples 4 to 10 Next, when the carbon paper is dipped in the water repellent treatment liquid A and then dried, the drying temperature is in the range of 20 to 150 ° C., 20, 40, 60, and
The case where the temperature was changed to 80, 100, 120 or 140 ° C. was examined. When the drying temperature was 50 ° C. or lower, the time required for drying was at least 10 hours or longer. Further, when dried at a temperature higher than 120 ° C., the phenomenon that the carbon paper was destroyed was observed. It is considered that this is because the water that has entered the carbon paper is exposed to a high temperature of not less than the boiling point and the volume thereof is largely changed. In consideration of shortening the drying time and avoiding damage to the carbon paper, it is considered that the optimum drying temperature is in the range of 50 to 120 ° C.

【0022】《実施例11〜16》つぎに、実施例1と
同様にしてカーボンインクを塗布して乾燥した後、導電
性多孔質基材の焼成温度が、得られるガス拡散電極を具
備する燃料電池の電池特性に及ぼす影響について調べ
た。200〜450℃の範囲で、表1に示す温度(20
0、250、300、350、400または450℃)
で焼成して得られたガス拡散電極であるカーボン層付き
カーボンペーパーを用い、実施例1と同様にして単電池
を作製した。表1に、焼成温度と電流密度0.7A/c
2時の電池電圧との関係を示す。
<< Examples 11 to 16 >> Next, the carbon ink is applied and dried in the same manner as in Example 1, and then the firing temperature of the conductive porous substrate is set to the obtained fuel having a gas diffusion electrode. The effect of the battery on the battery characteristics was investigated. In the range of 200 to 450 ° C., the temperature (20
0, 250, 300, 350, 400 or 450 ° C)
A unit cell was prepared in the same manner as in Example 1, using the carbon paper with a carbon layer, which was the gas diffusion electrode obtained by firing at. Table 1 shows the firing temperature and the current density of 0.7 A / c.
The relationship with the battery voltage at m 2 is shown.

【0023】[0023]

【表1】 [Table 1]

【0024】表1に示す結果より、250〜400℃の
焼成温度を用いて得られたガス拡散電極を具備する燃料
電池が、優れた電池特性を有することが分かる。250
℃よりも低い焼成温度では、導電性多孔質基材であるカ
ーボンペーパーまたはカーボン層中の界面活性剤が除去
しきれず、撥水性が低下してしまうために電池特性が減
少するものと考えられる。また、400℃以上の高い焼
成温度ではカーボンペーパー自体の構造が脆くなるため
に電池特性が低下すると考えられる。このように、本発
明を用いれば、ひび割れなどのない均一なカーボン層付
きガス拡散電極および電極が実現できるとともに、これ
を用いることにより、より特性の高い高分子電解質型燃
料電池を作製することができる。
From the results shown in Table 1, it can be seen that the fuel cell provided with the gas diffusion electrode obtained by using the firing temperature of 250 to 400 ° C. has excellent cell characteristics. 250
It is considered that at a firing temperature lower than ° C, the surfactant in the carbon paper or the carbon layer, which is the conductive porous substrate, cannot be completely removed, and the water repellency is reduced, so that the battery characteristics are reduced. Further, it is considered that at a high baking temperature of 400 ° C. or higher, the structure of the carbon paper itself becomes brittle, so that the battery characteristics deteriorate. As described above, by using the present invention, it is possible to realize a gas diffusion electrode having a uniform carbon layer and an electrode without cracks, and by using the gas diffusion electrode, it is possible to produce a polymer electrolyte fuel cell having higher characteristics. it can.

【0025】《実施例17》テトラフルオロエチレンと
ヘキサフルオロプロピレン共重合体の水性ディスパージ
ョン(ダイキン工業(株)製のND−1)と水を、前記
共重合体と水の体積比が2:1になるように混合し、導
電性多孔質基材を撥水処理するための撥水処理液Bを作
製した。この処理液を用いる以外はすべて実施例1と同
様にして、ガス拡散電極Cを得た。実施例1で作製した
ガス拡散電極Aのフッ素樹脂量が30重量%であったの
に対し、ガス拡散電極Cのフッ素樹脂量は42重量%で
あった。これらのガス拡散電極を用いて、実施例1と同
様にして単電池を作製した。この場合、ガス拡散電極A
をアノード側に、ガス拡散電極Cをカソード側に配し
た。作製した単電池を単電池試験装置にセットして、実
施例1と同様の測定条件で電池性能を調べた。
Example 17 Tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer aqueous dispersion (ND-1 manufactured by Daikin Industries, Ltd.) and water, and the copolymer-water volume ratio of 2: Mixing so as to be 1 to prepare a water repellent treatment liquid B for water repellent treatment of the conductive porous substrate. A gas diffusion electrode C was obtained in the same manner as in Example 1 except that this treatment liquid was used. The amount of fluororesin of the gas diffusion electrode A produced in Example 1 was 30% by weight, whereas the amount of fluororesin of the gas diffusion electrode C was 42% by weight. Using these gas diffusion electrodes, a single cell was produced in the same manner as in Example 1. In this case, the gas diffusion electrode A
On the anode side and the gas diffusion electrode C on the cathode side. The prepared unit cell was set in a unit cell test apparatus, and the cell performance was examined under the same measurement conditions as in Example 1.

【0026】図2に、実施例1のガス拡散電極Aをアノ
ードとカソードの両方に用いた燃料電池と、ガス拡散電
極Aをアノードに用いてガス拡散電極Cをカソードに用
いた燃料電池の電池特性(電流密度と電池電圧の関係)
を比較して示した。図2より、実施例1で作製した燃料
電池よりも、本実施例で作製した燃料電池の方が、さら
に向上した電池特性を有することが分かる。これは、カ
ソード側に撥水性の強いガス拡散電極Cを用いたことに
より、発電時にカソード側で発生する水をより弾きやす
くなったためと考えられる。本実施例では、アノード側
よりもカソード側のフッ素樹脂量を多くする構成にした
が、電池の運転条件や環境により、水分バランスが異な
るため、これに合わせて撥水材であるフッ素樹脂量のバ
ランスも変える必要があり、本発明の適応範囲内で自由
に設定することができる。
FIG. 2 shows a fuel cell in which the gas diffusion electrode A of Example 1 is used as both an anode and a cathode, and a fuel cell in which the gas diffusion electrode A is used as an anode and the gas diffusion electrode C is used as a cathode. Characteristics (relationship between current density and battery voltage)
Are shown in comparison. From FIG. 2, it can be seen that the fuel cell manufactured in this example has further improved cell characteristics than the fuel cell manufactured in Example 1. It is considered that this is because the gas diffusion electrode C having strong water repellency is used on the cathode side, so that water generated on the cathode side during power generation is more easily repelled. In this embodiment, the amount of fluororesin on the cathode side is set to be larger than that on the anode side. However, since the water balance varies depending on the operating conditions and environment of the battery, the amount of fluororesin that is the water repellent material is adjusted accordingly. The balance also needs to be changed and can be set freely within the applicable range of the present invention.

【0027】[0027]

【発明の効果】以上のように、本発明によれば、高分子
電解質型燃料電池に用いる電極を構成するガス拡散電極
の製造方法によれば、導電性多孔質基材を撥水処理液に
浸漬して乾燥した後、その上にカーボン層を形成するた
め、カーボン層形成時の水系カーボンインクのハジキや
塗りムラなどを極力低減することができる。また、撥水
処理後に焼成を行う必要がないため、製造工程の数を減
らすことができる。さらに、かかる方法によって製造し
たガス拡散電極を用いて燃料電池を構成することによ
り、従来よりも撥水性の面内バラツキが低減でき、安定
した電池特性を有する燃料電池を得ることができる。ま
た、アノード側とカソード側のガス拡散電極のフッ素樹
脂含量を変えることにより、電池内部での水分保持状態
を良好にすることができ、向上した電池特性を有する燃
料電池を得ることが期待できる。
As described above, according to the present invention, according to the method for producing the gas diffusion electrode constituting the electrode used in the polymer electrolyte fuel cell, the conductive porous substrate is used as the water repellent treatment liquid. Since the carbon layer is formed on the surface after the immersion and drying, cissing and uneven coating of the water-based carbon ink when forming the carbon layer can be reduced as much as possible. Moreover, since it is not necessary to perform baking after the water repellent treatment, the number of manufacturing steps can be reduced. Furthermore, by configuring the fuel cell using the gas diffusion electrode manufactured by such a method, it is possible to reduce the in-plane variation in water repellency as compared with the related art and to obtain a fuel cell having stable cell characteristics. Further, by changing the fluorine resin content of the gas diffusion electrodes on the anode side and the cathode side, the water retention state inside the cell can be improved, and it can be expected to obtain a fuel cell having improved cell characteristics.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】本発明の実施例1および比較例1で作製した燃
料電池の電池特性を示す図である。
FIG. 1 is a diagram showing cell characteristics of fuel cells manufactured in Example 1 and Comparative Example 1 of the present invention.

【図2】本発明の実施例1および実施例17で作製した
燃料電池の電池特性を示す図である。
FIG. 2 is a diagram showing cell characteristics of the fuel cells produced in Example 1 and Example 17 of the present invention.

フロントページの続き (72)発明者 酒井 修 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電 器産業株式会社内 (72)発明者 菅原 靖 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電 器産業株式会社内 (56)参考文献 特開 平9−245801(JP,A) 特開 平8−78020(JP,A) 特開 平9−259893(JP,A) 特開 平7−130374(JP,A) 特開 平6−330367(JP,A) 特開 平7−296818(JP,A) 特開 平9−245800(JP,A) 特開2000−67874(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01M 4/86 H01M 4/88 H01M 8/02 H01M 8/10 Front page continuation (72) Inventor Osamu Sakai 1006 Kadoma, Kadoma City, Osaka Prefecture Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. (72) Inventor, Yasushi Sugawara 1006 Kadoma, Kadoma City, Osaka Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. (56 ) References JP-A-9-245801 (JP, A) JP-A-8-78020 (JP, A) JP-A-9-259893 (JP, A) JP-A-7-130374 (JP, A) JP-A-7-130374 (JP, A) 6-330367 (JP, A) JP 7-296818 (JP, A) JP 9-245800 (JP, A) JP 2000-67874 (JP, A) (58) Fields investigated (Int.Cl) . 7, DB name) H01M 4/86 H01M 4/88 H01M 8/02 H01M 8/10

Claims (6)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 (a)導電性多孔質基材を、界面活性剤
を含む撥水処理液中に浸漬する工程、(b)前記導電性
多孔質基材を、前記導電性多孔質基材から前記界面活性
剤が除去されない温度で乾燥する工程、(c)前記導電
性多孔質基材上にカーボン層を形成する工程、および
(d)前記カーボン層を有する導電性多孔質基材を焼成
する工程を、工程(a)〜(d)の順に有する高分子電
解質型燃料電池用ガス拡散電極の製造方法。
1. A conductive porous substrate comprising (a) a surfactant.
A step of immersing in a water repellent treatment liquid containing (b) the conductive porous substrate from the conductive porous substrate to the surface active agent.
A step of drying at a temperature at which the agent is not removed , (c) a step of forming a carbon layer on the conductive porous substrate, and (d) a step of firing the conductive porous substrate having the carbon layer, A method for producing a gas diffusion electrode for a polymer electrolyte fuel cell, which comprises steps (a) to (d) in this order.
【請求項2】 工程(b)において、50〜120℃の
温度雰囲気下で乾燥する請求項1記載の高分子電解質型
燃料電池用ガス拡散電極の製造方法。
2. The method for producing a gas diffusion electrode for a polymer electrolyte fuel cell according to claim 1, wherein, in the step (b), drying is performed in a temperature atmosphere of 50 to 120 ° C.
【請求項3】 工程(d)において、250〜400℃
の温度雰囲気下で焼成する請求項1または2記載の高分
子電解質型燃料電池用ガス拡散電極の製造方法。
3. In step (d), 250 to 400 ° C.
The method for producing a gas diffusion electrode for a polymer electrolyte fuel cell according to claim 1 or 2, wherein the firing is performed under the temperature atmosphere.
【請求項4】 工程(a)において、前記撥水処理液が
フッ素樹脂を含む請求項1〜3のいずれかに記載の高分
子電解質型燃料電池用ガス拡散電極の製造方法。
4. The method for producing a gas diffusion electrode for a polymer electrolyte fuel cell according to claim 1, wherein in the step (a), the water repellent treatment liquid contains a fluororesin.
【請求項5】 高分子電解質膜、前記高分子電解質膜を
挟むアノードおよびカソード、前記アノードに燃料ガス
を供給するガス流路を有するアノード側導電性セパレー
タ板、ならびに前記カソードに酸化剤ガスを供給するガ
ス流路を有するカソード側導電性セパレータ板を具備す
る高分子電解質型燃料電池であって、前記アノードおよ
びカソードが、請求項1記載の高分子電解質型燃料電池
用ガス拡散電極の製造方法により得られるガス拡散電極
からなる高分子電解質型燃料電池。
5. A polymer electrolyte membrane, an anode and a cathode sandwiching the polymer electrolyte membrane, an anode-side conductive separator plate having a gas flow path for supplying a fuel gas to the anode, and an oxidant gas supplied to the cathode. A polymer electrolyte fuel cell comprising a cathode-side conductive separator plate having a gas flow path, wherein the anode and the cathode are formed by the method for producing a gas diffusion electrode for a polymer electrolyte fuel cell according to claim 1. A polymer electrolyte fuel cell comprising the obtained gas diffusion electrode.
【請求項6】 前記アノードのガス拡散電極と前記カソ
ードのガス拡散電極のフッ素樹脂含量が異なる請求項5
記載の高分子電解質型燃料電池。
6. The fluororesin content of the gas diffusion electrode of the anode and the gas diffusion electrode of the cathode are different.
The polymer electrolyte fuel cell described.
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