JPH0620710A - Manufacture of gas diffusion electrode for fuel cell - Google Patents

Manufacture of gas diffusion electrode for fuel cell

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JPH0620710A
JPH0620710A JP4174480A JP17448092A JPH0620710A JP H0620710 A JPH0620710 A JP H0620710A JP 4174480 A JP4174480 A JP 4174480A JP 17448092 A JP17448092 A JP 17448092A JP H0620710 A JPH0620710 A JP H0620710A
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electrode catalyst
carbon
exchange membrane
cation exchange
catalyst layer
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Hiroyuki Harada
博之 原田
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Abstract

PURPOSE:To efficiently make a gas diffusion electrode by junctioning a specified anode ion exchange film with carbon cloth covered with electrode catalyst, using the anode ion exchange film which has a specified thickness and specified ion exchange capacity. CONSTITUTION:A parfluosulfonic acid copolymer anode ion exchange film 1 has the structure shown by formulae I and II. But, X is H, Na or K, k is 2.1-7.6, m is 3.8-9.3, and l and n are positive numbers. This has a specified thickness at room temperature, and the surface of the film has specified ion exchange capacity. On one side of the exchange film, an electrode catalyst layer 3 is made to serve as an anode by covering the surface of conductive and gas transmitting carbon cloth with a mixture consisting of carbon particles bearing electrode catalysts and polytetrafluoroethylene dispersed liquid, and compression-bonding them. A water-repellent layer is provided similarly to serve as a cathode by covering the opposite side of the carbon cloth 4 provided with an electrode catalyst layer 2 with a mixture consisting of carbon particles and polytetrafluoroethylene dispersed liquid, and compression-bonding them.

Description

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

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、水素含有気体と酸素含
有気体及び電解質として陽イオン交換膜を使用するプロ
トン移動タイプの燃料電池(PEMFC、Proton Excha
nge MembraneFuel Cell)用ガス拡散電極の製造方法に
係る。
BACKGROUND OF THE INVENTION The present invention relates to a proton transfer type fuel cell (PEMFC, Proton Excha) which uses a hydrogen-containing gas, an oxygen-containing gas and a cation exchange membrane as an electrolyte.
nge Membrane Fuel Cell).

【0002】[0002]

【従来の技術と発明が解決すべき課題】電解質として陽
イオン交換膜を使用する固体高分子電解質型燃料電池
は、リン酸型燃料電池、溶融炭酸塩型燃料電池、固体電
解質型燃料電池に次ぎ、第4のタイプの燃料電池として
開発されたが、それまでに開発されていた燃料電池と比
較して出力が高い特徴があり、且つ、そのコンパクトさ
故に実用化に対する期待が高く、現在鋭意改良が検討さ
れている。
2. Description of the Related Art Solid polymer electrolyte fuel cells using a cation exchange membrane as an electrolyte are next to phosphoric acid fuel cells, molten carbonate fuel cells, and solid electrolyte fuel cells. Although it was developed as a fourth type of fuel cell, it has the characteristics that it has a higher output than the fuel cells that have been developed up to that point, and because of its compactness, there is high expectation for practical use, and it is now diligently improved. Is being considered.

【0003】このタイプの燃料電池は、PEMFC(Pr
oton Exchange Membrane Fuel Cell) と称され、一般に
添付の図1に示すような構造を有する。このPEMFC
の心臓部となる固体高分子電解質である陽イオン交換膜
としては、膜の耐久性、耐薬品性、耐酸化劣化性、耐熱
安定性等からパーフルオロスルホン酸型陽イオン交換膜
が好適とされているが、PEMFCの性能を充分に発揮
させるためには、陽イオン交換膜自身の物性と膜表面に
結合されるアノード用及びカソード用の電極触媒層との
組合せで、バランスのとれた性能を得ることが重要であ
る。
This type of fuel cell is a PEMFC (PrFC
Oton Exchange Membrane Fuel Cell) and generally has a structure as shown in the attached FIG. This PEMFC
As the cation exchange membrane, which is the solid polymer electrolyte that forms the heart of the product, a perfluorosulfonic acid type cation exchange membrane is preferred because of its durability, chemical resistance, resistance to oxidative deterioration, and heat stability. However, in order to fully demonstrate the performance of the PEMFC, a combination of the physical properties of the cation exchange membrane and the electrode catalyst layers for the anode and the cathode that are bonded to the membrane surface provide a balanced performance. It is important to get.

【0004】従来のPEMFC用の陽イオン交換膜とし
ては、市販されているパーフルオロスルホン酸型陽イオ
ン交換膜で米国デュポン社製の Nafion 膜、例えば Naf
ion117(イオン交換基に水素イオンを有する(H
形)、イオン交換容量 0.909ミリ当量/g乾燥樹脂、膜厚
約178μm )が主として使用されているが、PEMF
Cに使用する場合、イオン交換容量が低く膜厚が厚すぎ
ることから膜抵抗が高くなること等に起因してセル電圧
が低くなることが問題とされており、特にPEMFCの
陰極に空気を使用する場合には充分なセル電圧が得られ
ず、実用上問題とされている。
As a conventional cation exchange membrane for PEMFC, a commercially available perfluorosulfonic acid type cation exchange membrane is a Nafion membrane manufactured by DuPont, USA, such as Naf.
ion117 (has a hydrogen ion as an ion exchange group (H
Shape), ion exchange capacity 0.909 meq / g dry resin, film thickness about 178 μm) are mainly used, but PEMF
When used for C, there is a problem that the cell voltage becomes low due to high membrane resistance due to low ion exchange capacity and too thick film thickness. Especially, air is used for the cathode of PEMFC. In that case, a sufficient cell voltage cannot be obtained, which is a practical problem.

【0005】一方、図1に示すようにPEMFCは陽イ
オン交換膜面上にアノード用及びカソード用の電極触媒
層、導電性のカーボン布またはカーボンペーパーを有す
るが、陽イオン交換膜とアノード用及びカソード用の電
極触媒層の性能が有効に発揮され、結果としてPEMF
Cの性能が十分に発揮されるためには、これ等の陽イオ
ン交換膜及びアノード用、カソード用の電極触媒層を有
するカーボン布またはカーボンペーパーが十分に一体化
されていることが必要であり、従って陽イオン交換膜、
アノード用及びカソード用の電極触媒層及びカーボン布
またはカーボンペーパーの接合方法も重要である。従
来、陽イオン交換膜とアノード用及びカソード用の電極
触媒層との接合方法としては、予め電極触媒、微粒子炭
素と疎水性樹脂のバインダーとしてのポリテトラフルオ
ロエチレン分散液との混合物をシート状の基材(例えば
アルミ箔、ポリエステルフィルム、ポリオレフィンフィ
ルムようなプラスチックフィルム等)上に均一に塗布し
乾燥して薄膜上の電極触媒層を別個に作成し、これを陽
イオン交換膜上に転写しホットプレスで圧着結合する方
法、あるいは前記混合物を陽イオン交換膜上に直接塗布
し乾燥した後ホットプレスで圧着結合する方法が知られ
ている。しかしながらこれらの方法では、疎水性樹脂の
バインダーとして使用するポリテトラフルオロエチレン
の軟化温度が陽イオン交換膜の軟化温度に較べてかなり
高く、また電極触媒、微粒子炭素と疎水性樹脂のバイン
ダーのポリテトラフルオロエチレンエマルジョンとの混
合比率によりホットプレスに使用する温度を高くする必
要があること等から圧着結合のためのホットプレスの条
件設定が難しく充分な接合を得ることが困難であり、ま
た電極触媒層が厚くなりやすく、さらにはガス拡散電極
製造の工程が多くなり、PEMFCの価格が高くなると
いう問題がある。
On the other hand, as shown in FIG. 1, the PEMFC has an electrode catalyst layer for the anode and the cathode and a conductive carbon cloth or carbon paper on the surface of the cation exchange membrane. The performance of the electrocatalyst layer for the cathode is effectively exhibited, resulting in PEMF
In order for the performance of C to be fully exhibited, it is necessary that the cation exchange membrane and the carbon cloth or carbon paper having the anode and cathode electrode catalyst layers are sufficiently integrated. , Therefore a cation exchange membrane,
The method of joining the electrode catalyst layers for the anode and cathode and the carbon cloth or carbon paper is also important. Conventionally, as a method of joining the cation exchange membrane and the electrode catalyst layers for the anode and the cathode, a mixture of an electrode catalyst, particulate carbon and a polytetrafluoroethylene dispersion liquid as a binder of a hydrophobic resin has been prepared in a sheet form in advance. Apply it evenly on a substrate (for example, aluminum foil, polyester film, plastic film such as polyolefin film) and dry it to create a separate electrode catalyst layer on the thin film, and transfer it onto the cation exchange membrane to make it hot. A method of press-bonding with a press or a method of directly applying the mixture onto a cation exchange membrane, drying it, and then press-bonding with a hot press is known. However, in these methods, the softening temperature of polytetrafluoroethylene used as the binder of the hydrophobic resin is considerably higher than that of the cation exchange membrane, and the polytetrafluoroethylene used as the binder of the electrode catalyst, the particulate carbon and the hydrophobic resin is polytetrafluoroethylene. Since it is necessary to raise the temperature used for hot pressing depending on the mixing ratio with the fluoroethylene emulsion, it is difficult to set conditions for hot pressing for pressure bonding, and it is difficult to obtain sufficient bonding. However, there is a problem that the PEMFC is expensive because the number of steps for manufacturing the gas diffusion electrode increases and the cost of the PEMFC increases.

【0006】従って、陽イオン交換膜、アノード用及び
カソード用の電極触媒を被覆したカーボン布またはカー
ボンペーパーの接合方法についての改善が必要である。
Therefore, there is a need for improvement in the method of joining a carbon cloth or carbon paper coated with a cation exchange membrane, an anode and a cathode electrode catalyst.

【0007】[0007]

【課題を解決するための手段】本発明者は、上記のよう
な観点から陽イオン交換膜自体の性質及び陽イオン交換
膜、アノード用及びカソード用の電極触媒を被覆したカ
ーボン布またはカーボンペーパーの接合方法について鋭
意検討を重ねた結果、特定の厚さと特定のイオン交換容
量を有する陽イオン交換膜を使用し、特定の陽イオン交
換膜とアノード用及びカソード用の電極触媒を被覆した
カーボン布またはカーボンペーパーを接合することによ
り、高いモル電圧を有するPEMFCを製造し得るPE
MFC用ガス拡散電極を極めて効率よく製造し得ること
を見出し、本発明に到達したものである。
From the above viewpoints, the present inventor has found that the properties of the cation exchange membrane itself and the carbon cloth or carbon paper coated with the cation exchange membrane, the electrode catalysts for the anode and the cathode are used. As a result of extensive studies on the bonding method, a cation-exchange membrane having a specific thickness and a specific ion-exchange capacity was used, and a carbon cloth coated with a specific cation-exchange membrane and an electrocatalyst for anode and cathode, or PE capable of producing PEMFC having high molar voltage by joining carbon paper
The present invention has been accomplished by finding that the gas diffusion electrode for MFC can be manufactured extremely efficiently.

【0008】本発明は、陽イオン交換膜の両面にアノー
ド用及びカソード用の電極触媒層とカーボン布またはカ
ーボンペーパーをこの順で有する固体高分子電解質型燃
料電池用ガス拡散電極の製造方法であって、アノード用
の導電性及びガス透過性を有するカーボン布またはカー
ボンペーパーの表面に、電極触媒を担持した炭素粒子と
ポリテトラフルオロエチレン分散液とからなる混合物を
被覆して圧着接合させることにより電極触媒層を設ける
とともに、これとは別にカソード用として、アノード用
のものと同様にして電極触媒層を設けたカーボン布また
はカーボンペーパーの電極触媒層とは反対側の面に炭素
粒子とポリテトラフルオロエチレン分散液とからなる混
合物を被覆して圧着接合させることにより撥水性層を設
け、テトラフルオロエチレン単位と側鎖にスルホン酸基
を有するパーフルオロビニルエーテル単位からなる下記
構造式(1) または(2)
The present invention is a method for producing a gas diffusion electrode for a solid polymer electrolyte fuel cell having an anode and cathode electrode catalyst layers and a carbon cloth or carbon paper in this order on both sides of a cation exchange membrane. Then, the surface of a carbon cloth or carbon paper having electrical conductivity and gas permeability for the anode is coated with a mixture of carbon particles supporting an electrode catalyst and a polytetrafluoroethylene dispersion, and pressure-bonded to the electrode. In addition to providing the catalyst layer, a carbon cloth or carbon paper on which the electrode catalyst layer is provided separately for the cathode in the same manner as for the anode is provided with carbon particles and polytetrafluorocarbon on the surface opposite to the electrode catalyst layer. A water-repellent layer was formed by coating a mixture consisting of ethylene dispersion and pressure bonding, and Following structural formula consisting perfluorovinyl ether units to ethylene units and a side chain having a sulfonic acid group (1) or (2)

【化2】 (XはH、NaまたはKを表し、kは約2.1 〜約7.6 であ
り、mは約3.8 〜9.3 であり、l及びnは正の数を表
す)のパーフルオロスルホン酸基を有するコポリマー膜
からなり、室温条件下乾燥状態で膜厚が50〜150μ
m 、イオン交換容量が0.83〜1.43ミリ当量/g(乾燥樹
脂)である陽イオン交換膜表面に、前記アノード用及び
カソード用のカーボン布またはカーボンペーパー表面に
設けた電極触媒層をその表面が前記陽イオン交換膜に接
触するようにしてカーボン布またはカーボンペーパーと
ともに圧着接合することからなり、前記電極触媒層と陽
イオン交換膜との圧着接合を、圧着接合される陽イオン
交換膜及び電極触媒層の表面のいずれかまたは両方に上
記構造式(1) または(2) を有しかつ使用する陽イオン交
換膜のコポリマーのXと同じ種類の元素をXとして有す
るパーフルオロスルホン酸系コポリマーの溶液または分
散液を被覆し、各接合面を合わせて電極触媒層を設けた
カーボン布またはカーボンペーパーと陽イオン交換膜と
を載置し、陽イオン交換膜のコポリマーの軟化温度より
も10℃以上低い温度で全体をホットプレスして行うこと
を特徴とする固体高分子電解質型燃料電池用ガス拡散電
極の製造方法である。
[Chemical 2] (X represents H, Na or K, k is about 2.1 to about 7.6, m is about 3.8 to 9.3, and 1 and n are positive numbers). And has a film thickness of 50-150μ when dried at room temperature.
m, an cation exchange membrane surface having an ion exchange capacity of 0.83 to 1.43 meq / g (dry resin), an electrode catalyst layer provided on the surface of the carbon cloth or carbon paper for the anode and the cathode is A cation exchange membrane and an electrode catalyst layer, which are pressure-bonded together with a carbon cloth or carbon paper so as to be in contact with the cation exchange membrane, and the electrode catalyst layer and the cation exchange membrane are pressure-bonded. A solution of a perfluorosulfonic acid-based copolymer having the above structural formula (1) or (2) on one or both surfaces of the above and having X as an element of the same kind as X of the copolymer of the cation exchange membrane to be used, or A cation exchange membrane is placed by placing a carbon cloth or carbon paper on which the dispersion liquid is covered and the electrode catalyst layers are provided so that the respective joint surfaces are aligned with each other and the cation exchange membrane. A method for producing a solid polymer electrolyte fuel cell gas diffusion electrode and performing the whole was hot pressed at a temperature lower 10 ° C. or higher than the softening temperature of the copolymer.

【0009】本発明で使用する導電性及びガス透過性を
有するカーボン布またはカーボンペーパーとしては、従
来よりPEMFC用ガス拡散電極の製造に使用されてい
るものを使用することができ、炭素繊維から種々の織布
法により製造された炭素繊維の平織布、あるいは不織
布、炭素繊維を抄紙したカーボンペーパーが含まれる。
これらのカーボン布またはカーボンペーパーは、0.2 〜
0.5 mm 程度の厚さ、100 〜400 g/m2程度の重量を有す
るものが好ましく使用できる。
As the carbon cloth or carbon paper having conductivity and gas permeability used in the present invention, those conventionally used for the production of gas diffusion electrodes for PEMFC can be used, and various carbon fibers can be used. A plain woven fabric of carbon fibers, a non-woven fabric, and a carbon paper made from carbon fibers are produced by the woven fabric method of.
These carbon cloths or carbon papers have 0.2 ~
Those having a thickness of about 0.5 mm and a weight of about 100 to 400 g / m 2 can be preferably used.

【0010】市販されるカーボン布及びカーボンペーパ
ーで好ましいものとしては、東レ(株)製のトレカ織物
(平織布)及びカーボンペーパーが挙げられ、トレカ #
6344B(厚さ0.38 mm, 320 g/m2)、トレカ #6343 (厚さ0.
27 mm, 200 g/m2)等の平織炭素繊維布、トレカ TGP-120
(厚さ0.37 mm, 170 g/m2)等の炭素繊維ペーパーが含ま
れる。また後述するように、これ等のカーボン布または
カーボンペーパーに電極触媒層を設けたものも市販され
ている。
Preferred commercially available carbon cloths and carbon papers are trading card fabrics (plain woven fabrics) and carbon papers manufactured by Toray Industries, Inc.
6344B (thickness 0.38 mm, 320 g / m 2 ), trading card # 6343 (thickness 0.
27 mm, 200 g / m 2 ) etc. plain weave carbon fiber cloth, trading card TGP-120
Includes carbon fiber paper (thickness 0.37 mm, 170 g / m 2 ). Further, as will be described later, such carbon cloth or carbon paper provided with an electrode catalyst layer is also commercially available.

【0011】電極触媒層に使用される電極触媒は、従来
より固体高分子電解質型の燃料電池に使用されているも
のでよく、Pt、Rh、Ir、Ru等が使用できるが、通常は白
金が用いられ、例えば粒径約15〜30オングストロームの
白金触媒を被覆した粒径約50〜100 オングストロームの
微粒子状の炭素粒子(白金含有量は一般的には10〜20重
量%程度)が用いられる。このような微粒子状の炭素粒
子に白金触媒を被覆したものとしては、E−TEK社よ
り、Platinum on Vulcan XC-72またはPlatinumon Vulca
n XC-72R として炭素粒子に対して5〜30重量%の白金
を担持させた触媒物質(炭素粒子の直径約100オングス
トローム、表面積100 〜200g/m2 、白金粒子径約20オン
グストローム) が製造、販売されている。
The electrode catalyst used in the electrode catalyst layer may be one conventionally used in a solid polymer electrolyte fuel cell, and Pt, Rh, Ir, Ru, etc. can be used, but platinum is usually used. For example, fine carbon particles (platinum content is generally about 10 to 20% by weight) coated with a platinum catalyst having a particle size of about 15 to 30 angstroms and having a particle size of about 50 to 100 angstroms are used. Examples of such fine carbon particles coated with a platinum catalyst include Platinum on Vulcan XC-72 or Platinum on Vulca from E-TEK.
As n XC-72R, a catalyst substance supporting 5 to 30% by weight of platinum with respect to carbon particles (diameter of carbon particles is about 100 angstrom, surface area is 100 to 200 g / m 2 , platinum particle diameter is about 20 angstrom) is produced, It is sold.

【0012】電極触媒層は、上記の触媒物質と、疎水性
樹脂のバインダーとしてのポリテトラフルオロエチレン
の分散液あるいは一部低分子化したポリテトラフルオロ
エチレンの分散液とを均一に混合したペースト状混合物
を前記カーボン布またはカーボンペーパーに被覆しホッ
トプレスすることによって設けられる。これによりカー
ボン布またはカーボンペーパーの開孔部分に埋め込まれ
たような形態で電極触媒層が形成される。触媒塗布量は
白金の場合、0.04〜0.5mg/cm2 程度が好ましい。
The electrode catalyst layer is in the form of a paste obtained by uniformly mixing the above-mentioned catalyst substance and a dispersion liquid of polytetrafluoroethylene as a binder of the hydrophobic resin or a dispersion liquid of partially reduced polytetrafluoroethylene. It is provided by coating the carbon cloth or carbon paper with the mixture and hot pressing. As a result, the electrode catalyst layer is formed in such a manner that it is embedded in the openings of the carbon cloth or carbon paper. In the case of platinum, the catalyst coating amount is preferably about 0.04 to 0.5 mg / cm 2 .

【0013】疎水性樹脂を含有するペーストはできるだ
け均一に被覆し(被覆量は60〜70grペースト/m2(カー
ボン布又はカーボンペーパー))、室温である程度自然
乾燥した後または直ちに減圧乾燥する。電極触媒層の厚
さは、カーボン布またはカーボンペーパーへの白金触媒
の付着量に関係するが、通常50〜100 μm 程度である。
The paste containing the hydrophobic resin is coated as uniformly as possible (the coating amount is 60 to 70 gr paste / m 2 (carbon cloth or carbon paper)), and is naturally dried at room temperature to some extent, or immediately under reduced pressure. The thickness of the electrode catalyst layer is related to the amount of platinum catalyst deposited on the carbon cloth or carbon paper, but is usually about 50 to 100 μm.

【0014】疎水性樹脂のバインダーとしては、通常は
ポリテトラフルオロエチレンが使用される。電極触媒と
疎水性樹脂のバインダーを含むペースト状混合物は、電
極触媒を担持した炭素粒子とポリテトラフルオロエチレ
ン分散液を均一に混合することによって調製することが
できる。通常、電極触媒を担持した炭素粒子とポリテト
ラフルオロエチレン分散液からなるペースト中のポリテ
トラフルオロエチレンの含有量は約50重量%程度になる
ように調製される。ホットプレスの条件も任意に選択す
ることができるが、通常約 290〜350 ℃の温度、80〜15
0 kg/cm2の圧力で約3〜60分の条件で行うことができ
る。上記で使用するポリテトラフルオロエチレン分散液
は水を分散媒とし、界面活性剤を分散剤として使用して
調製することができるが、種々のポリテトラフルオロエ
チレン分散液が市販されており、これ等を好適に使用で
きる。これらの分散液はコロイド状のポリテトラフルオ
ロエチレンを含むものである。
Polytetrafluoroethylene is usually used as the binder of the hydrophobic resin. The paste-like mixture containing the electrode catalyst and the binder of the hydrophobic resin can be prepared by uniformly mixing the carbon particles supporting the electrode catalyst and the polytetrafluoroethylene dispersion liquid. Usually, the content of polytetrafluoroethylene in a paste composed of carbon particles supporting an electrode catalyst and a polytetrafluoroethylene dispersion is adjusted to about 50% by weight. The hot press conditions can be arbitrarily selected, but usually a temperature of about 290 to 350 ℃, 80 to 15
It can be performed at a pressure of 0 kg / cm 2 for about 3 to 60 minutes. The polytetrafluoroethylene dispersion used above can be prepared using water as a dispersion medium and a surfactant as a dispersant, but various polytetrafluoroethylene dispersions are commercially available, and the like. Can be preferably used. These dispersions contain colloidal polytetrafluoroethylene.

【0015】上記のようなカーボン布またはカーボンペ
ーパー全体に埋め込まれたような形態で電極触媒層を形
成したものがE−TEK社より市販されており、電極触
媒層の厚さが数十μm 〜100 μm 程度、白金触媒の付着
量が0.04mg/cm2〜約0.5mg/cm 2 程度のものが入手可能で
ある。
Carbon cloth or carbon cloth as described above
Shape the electrocatalyst layer so that it is embedded in the entire
The product is commercially available from E-TEK.
Medium layer thickness of several tens of μm to 100 μm, platinum catalyst adhered
Amount 0.04mg / cm2~ About 0.5mg / cm 2 Something is available
is there.

【0016】PEMFCのカソード側で使用されるカー
ボン布またはカーボンペーパーについては、カソード側
で生成する水が電極触媒層に侵入するのを防ぐために電
極触媒層を設けた面とは反対の面に撥水性を付与する必
要がある。この撥水性付与は、炭素粒子(電極触媒層を
形成するのに使用したものと同様のもので触媒を担持さ
せていないもの)と疎水性樹脂のバインダーとしてのポ
リテトラフルオロエチレンの分散液を使用してペースト
状混合物を調製してこれをカーボン布またはカーボンペ
ーパーの電極触媒層を設けたのとは反対面に被覆して、
ホットプレスすることにより行うことができる。ホット
プレスの条件は電極触媒層を形成する場合と同様でよい
が、ペーストの量は導電性及びガス透過性を損わない程
度の被覆量でよく、カーボン布またはカーボンペーパー
の開孔部分に埋め込まれるような量でよい。上記のよう
なカーボン布またはカーボンペーパー上に形成した電極
触媒層を下記の陽イオン交換膜に圧着接合する。
Regarding the carbon cloth or carbon paper used on the cathode side of the PEMFC, in order to prevent water generated on the cathode side from entering the electrode catalyst layer, the carbon cloth or carbon paper is repelled on the surface opposite to the surface on which the electrode catalyst layer is provided. It is necessary to impart water-based property. To impart water repellency, a dispersion of carbon particles (similar to those used to form the electrode catalyst layer but not supporting a catalyst) and polytetrafluoroethylene as a binder for the hydrophobic resin is used. Then prepare a paste-like mixture and coat it on the side opposite to the side where the electrode catalyst layer of carbon cloth or carbon paper is provided,
It can be performed by hot pressing. The hot press conditions may be the same as those for forming the electrode catalyst layer, but the amount of paste may be such that the conductivity and gas permeability are not impaired, and the paste is embedded in the openings of carbon cloth or carbon paper. The amount is sufficient. The electrode catalyst layer formed on the above carbon cloth or carbon paper is pressure-bonded to the following cation exchange membrane.

【0017】本発明で使用する陽イオン交換膜は、上記
構造式(1) または(2) で示される、テトラフルオロエチ
レン単位と側鎖に-SO3H, -SO3Kまたは-SO3Na基を有する
パーフルオロビニルエーテル単位で構成されるコポリマ
ーからなる。側鎖に-SO3K または-SO3Na基を有するこの
コポリマー(K形及びNa形)膜は、テトラフルオロエチ
レンと側鎖の末端にスルホニルフルオライド(-SO2F) 基
を有するパーフルオロビニルエーテルの共重合により得
られたコポリマーの膜をKOHまたはNaOHの水溶液およ
び/またはアルコール溶液および/またはジメチルスル
ホキシドからなる混合溶液で処理することによって得ら
れる。側鎖に-SO3H を有するコポリマー(H形)膜は上
記K形及びNa形のコポリマー膜を希硫酸水溶液に浸漬す
ることにより得られる。
The cation exchange membrane used in the present invention has a tetrafluoroethylene unit represented by the above structural formula (1) or (2) and a side chain of -SO 3 H, -SO 3 K or -SO 3 Na. It consists of a copolymer composed of perfluorovinyl ether units having groups. This copolymer (K-type and Na-type) film having -SO 3 K or -SO 3 Na group in the side chain is tetrafluoroethylene and perfluoro having a sulfonyl fluoride (-SO 2 F) group at the end of the side chain. It is obtained by treating a membrane of the copolymer obtained by copolymerization of vinyl ether with a mixed solution consisting of an aqueous solution of KOH or NaOH and / or an alcohol solution and / or dimethylsulfoxide. The copolymer (H-type) film having —SO 3 H in the side chain is obtained by immersing the K-type and Na-type copolymer films in a dilute sulfuric acid aqueous solution.

【0018】上記で得られる陽イオン交換膜のイオン交
換容量は、コモノマーとして使用されるテトラフルオロ
エチレンと側鎖の末端にスルホニルフルオライド基(-SO
2F)を有するパーフルオロビニルエーテル系モノマーと
の共重合比を変えて重合を行い、合成されたコポリマー
の側鎖の-SO2F 基をスルホン酸基に変性することにより
変更することが可能であるが、0.83〜1.43ミリ当量/g
(乾燥樹脂)、好ましくは0.91〜1.25ミリ当量/g(乾燥
樹脂)のものを使用する。イオン交換容量が充分に大き
いことは、単に膜抵抗を低くするだけでなくPEMFC
において陽極触媒によるプロトンの陰極への移動能を向
上させ、膜の平衡含有水分を高めると共に、陰極で生成
した水が陽極側に逆拡散し易くなるのでPEMFCの運
転中の膜の乾燥を抑制する働きもあり、また膜の導電性
の向上にも有効である。但し、イオン交換容量が大きす
ぎると膜強度が低下すること、膜内の水分含有量が大き
くなりすぎる等の弊害があり好ましくない。
The ion exchange capacity of the cation exchange membrane obtained above is determined by using tetrafluoroethylene used as a comonomer and a sulfonyl fluoride group (-SO
It can be changed by changing the copolymerization ratio with the perfluorovinyl ether-based monomer having 2 F) to carry out polymerization, and modifying the -SO 2 F group of the side chain of the synthesized copolymer to a sulfonic acid group. Yes, but 0.83-1.43 meq / g
(Dry resin), preferably 0.91 to 1.25 meq / g (dry resin) is used. A sufficiently large ion exchange capacity not only lowers the membrane resistance but also PEMFC
At the same time, the ability of the anode catalyst to move protons to the cathode is improved, the equilibrium water content of the membrane is increased, and the water generated at the cathode is easily back-diffused to the anode side, so that the drying of the membrane during operation of the PEMFC is suppressed. It also has a function and is also effective in improving the conductivity of the film. However, if the ion exchange capacity is too large, the membrane strength will be reduced, and the water content in the membrane will be too large, which is not preferable.

【0019】陽イオン交換膜の乾燥膜厚は、50〜150 μ
m 、好ましくは70〜140 μm である。陽イオン交換膜の
膜厚は、陰極側で生成した水を陽極側へ移行せしめる上
で重要なファクターとなり、PEMFCの最適なバラン
スのとれた性能を保持させる為には、イオン交換容量の
選択と共に最適な膜厚を選択をすることが重要である。
The dry thickness of the cation exchange membrane is 50 to 150 μm.
m, preferably 70-140 μm. The thickness of the cation exchange membrane is an important factor in transferring the water generated on the cathode side to the anode side, and in order to maintain the optimum balanced performance of the PEMFC, it is necessary to select the ion exchange capacity. It is important to select the optimum film thickness.

【0020】上記陽イオン交換膜の両面に、前記のアノ
ード用及びカソード用の電極触媒層を設けたカーボン布
またはペーパーを、陽イオン交換膜表面に電極触媒層が
接触するように圧着接合する。カソード側には、カーボ
ン布またはカーボンペーパーの電極触媒層を被覆したの
とは反対の面に炭素粒子とポリテトラフルオロエチレン
分散液からなる混合物を被覆して圧着接合して撥水性層
を設けたものを使用する。陽イオン交換膜とアノード用
及びカソード用のカーボン布またはカーボンペーパーに
被覆された電極触媒層との接合は、陽イオン交換膜及び
電極触媒層のいずれかまたは両方の接合する表面に前記
式(1) または(2) の構造を有するパーフルオロスルホン
酸コポリマーの溶液または分散液を被覆して両者の接合
面を合わせて全体をホットプレスすることにより行う。
The carbon cloth or paper provided with the above-mentioned anode and cathode electrode catalyst layers is pressure-bonded to both surfaces of the cation exchange membrane so that the electrode catalyst layers are in contact with the surface of the cation exchange membrane. On the cathode side, a water repellent layer was provided by coating a mixture of carbon particles and a polytetrafluoroethylene dispersion liquid on the surface opposite to the surface coated with an electrode catalyst layer of carbon cloth or carbon paper by pressure bonding and bonding. Use one. The cation exchange membrane and the electrode catalyst layer coated with carbon cloth or carbon paper for the anode and the cathode are bonded to each other by using the above formula (1) on the bonding surface of either or both of the cation exchange membrane and the electrode catalyst layer. Or a solution or dispersion of the perfluorosulfonic acid copolymer having the structure of (2) or (2) is coated, the joint surfaces of both are aligned, and the whole is hot pressed.

【0021】このとき、電極触媒層の表面に被覆される
溶液または分散液中の前記式(1) または(2) の構造を有
するパーフルオロスルホン酸コポリマーに含まれるX
は、陽イオン交換膜を構成する前記式(1) または(2) の
構造を有するパーフルオロスルホン酸コポリマーに含ま
れるXと同じ元素であるようにする。即ち、陽イオン交
換膜のスルホン酸基のXがHの場合にはHを(H形)、
Naの場合にはNaを(Na形)、Kの場合にはKを(K形)
Xとして有するパーフルオロスルホン酸コポリマーをバ
インダーとして含む溶液または分散液を使用する。溶液
または分散液中のパーフルオロスルホン酸コポリマーは
その元素Xの種類が陽イオン交換膜の元素Xの種類に合
致していればよく、その構造は前記式(1) または(2) の
いずれのものも使用することができ、陽イオン交換膜の
コポリマーの構造と合致している必要はない。溶液また
は分散液中のコポリマーの濃度は1〜5重量%程度であ
ることが好ましい。
At this time, X contained in the perfluorosulfonic acid copolymer having the structure of the above formula (1) or (2) in the solution or dispersion liquid coated on the surface of the electrode catalyst layer.
Is the same element as X contained in the perfluorosulfonic acid copolymer having the structure of the above formula (1) or (2) which constitutes the cation exchange membrane. That is, when X of the sulfonic acid group of the cation exchange membrane is H, H (H type),
If Na is Na (Na type), if K is K (K type)
A solution or dispersion containing the perfluorosulfonic acid copolymer having X as a binder is used. The perfluorosulfonic acid copolymer in the solution or the dispersion may be one in which the kind of the element X matches the kind of the element X of the cation exchange membrane, and the structure thereof is one of the above formulas (1) and (2). One can also be used and need not be consistent with the structure of the cation exchange membrane copolymer. The concentration of the copolymer in the solution or dispersion is preferably about 1 to 5% by weight.

【0022】上記溶液または分散液の調製においては、
前記式(1) または(2) の構造を有するパーフルオロスル
ホン酸系コポリマーでH形のコポリマー溶液または分散
液を、特に限定されないが、例えば低級脂肪族アルコー
ルと水との混合溶媒中の溶液または分散液として調製す
ることができ、これを約5%程度のNaOH溶液またはKO
H溶液の化学量論的に必要な量を使用して中和すること
によりK形またはNa形のパーフルオロスルホン酸系コポ
リマーの溶液または分散液をそれぞれ調製することがで
きる。式(1) または(2) の構造を有するパーフルオロス
ルホン酸系コポリマーでH形のものを低級脂肪族アルコ
ール例えばイソプロパノールと水との混合溶媒に溶解し
た溶液は市販されており、例えば、Aldrich Chemical C
o.からNafion Solution の名称で販売されている(低級
アルコール85重量%、水15重量%の混合物中のコポリマ
ー含有量5重量%の混合液)。このように、電極触媒層
を陽イオン交換膜に圧着接合する際に使用するバインダ
ーとして陽イオン交換膜のパーフルオロスルホン酸系コ
ポリマーと同種のパーフルオロスルホン酸系コポリマー
溶液または分散液を使用することにより容易にホットプ
レスで圧着結合することができ、更にコポリマーがNa形
またはK形である場合はこれにより陽イオン交換膜自体
の軟化温度が高くなりホットプレスを高温で行うことが
でき、陽イオン交換膜面と電極触媒層の密着性と結合性
が著しく改善される。
In preparing the above solution or dispersion,
The H-type copolymer solution or dispersion of the perfluorosulfonic acid-based copolymer having the structure of the above formula (1) or (2) is not particularly limited, but is, for example, a solution in a mixed solvent of a lower aliphatic alcohol and water, or It can be prepared as a dispersion, which is about 5% NaOH solution or KO.
Solutions or dispersions of K-type or Na-type perfluorosulphonic acid-based copolymers can be prepared by neutralizing using the stoichiometrically required amount of H solution, respectively. A solution of a perfluorosulfonic acid-based copolymer having the structure of formula (1) or (2) in the H form in a mixed solvent of a lower aliphatic alcohol such as isopropanol and water is commercially available. For example, Aldrich Chemical C
marketed under the name Nafion Solution (mixture of copolymer content 5% by weight in a mixture of 85% by weight lower alcohol and 15% by weight water). Thus, as the binder used when pressure-bonding the electrode catalyst layer to the cation exchange membrane, use a perfluorosulfonic acid-based copolymer solution or dispersion of the same kind as the cation-exchange membrane perfluorosulfonic acid-based copolymer. Can be easily pressure-bonded by hot pressing, and when the copolymer is Na type or K type, the softening temperature of the cation exchange membrane itself can be increased and hot pressing can be performed at high temperature. The adhesiveness and bondability between the exchange membrane surface and the electrode catalyst layer are remarkably improved.

【0023】上記のようにして形成したコポリマー溶液
または分散液を、カーボン布またはカーボンペーパー上
の電極触媒層表面に均一に被覆して、溶液または分散液
中の溶媒を充分に除去する。溶液または分散液の被覆量
は乾燥膜厚が 5〜20μm 程度となるような量とすること
が好ましい。乾燥は電極触媒層の乾燥と同様の条件で行
うことができるが、コポリマー溶液または分散液は電極
触媒層よりも薄く塗布されるので膨潤等のおそれは少な
く常圧で行うことができる。その後、被覆面を陽イオン
交換膜表面上に載置して、陽イオン交換膜の軟化温度よ
り10℃以上低い温度でホットプレスを行い一体化された
PEMFC用ガス拡散電極が得られる。
The copolymer solution or dispersion formed as described above is uniformly coated on the surface of the electrode catalyst layer on the carbon cloth or carbon paper to sufficiently remove the solvent in the solution or dispersion. The coating amount of the solution or dispersion is preferably such that the dry film thickness is about 5 to 20 μm. The drying can be carried out under the same conditions as the drying of the electrode catalyst layer, but since the copolymer solution or dispersion is applied thinner than the electrode catalyst layer, there is little risk of swelling and the like and it can be carried out at normal pressure. Then, the coated surface is placed on the surface of the cation exchange membrane, and hot pressing is performed at a temperature lower by 10 ° C. or more than the softening temperature of the cation exchange membrane to obtain an integrated gas diffusion electrode for PEMFC.

【0024】上記の通りホットプレスは、陽イオン交換
膜のコポリマーの軟化温度(JIS K7196-1991 に規定さ
れた、熱可塑性プラスチックフィルム及びシートの熱機
械分析による軟化温度試験方法により測定したもの)よ
りも少くとも10℃以上低い温度で行うが、これよりも
高い温度ではコポリマー膜内の水分が急激に気化し、陽
イオン交換膜と電極触媒層との充分な密着性を確保する
ために好ましくない。
As described above, hot pressing is performed from the softening temperature of the copolymer of the cation exchange membrane (measured by the softening temperature test method by thermomechanical analysis of thermoplastic films and sheets specified in JIS K7196-1991). It is carried out at a temperature of at least 10 ° C. or lower, but at a temperature higher than this, water in the copolymer membrane is rapidly vaporized, which is not preferable because sufficient adhesion between the cation exchange membrane and the electrode catalyst layer is ensured. .

【0025】陽イオン交換膜の軟化温度は、膜を構成す
るコポリマーの平均分子量及びイオン交換容量更には膜
中の平衡含有水分率等により左右されるが、H形である
前記式(1) または(2) のコポリマーのスルホン酸膜の場
合、一般に約 100〜 150℃の範囲にある。従って、この
場合のホットプレス時の温度は少くとも 140℃以下、好
ましくは130 ℃以下である。K形またはNa形である陽イ
オン交換膜の軟化温度もやはり膜を構成するコポリマー
の平均分子量及びイオン交換容量更には膜中の平衡含有
水分率等により左右されるが、K形またはNa形である前
記式(1) または(2) のコポリマーのスルホン酸膜はイオ
ン架橋型の構造を形成しているものと考えられるために
H形であるものに比較して軟化温度は高く、一般に約 2
00〜 260℃の範囲にある。従って、ホットプレス時の温
度は少くとも 250℃以下、好ましくは 200℃以下であ
る。
The softening temperature of the cation exchange membrane depends on the average molecular weight and the ion exchange capacity of the copolymer constituting the membrane, the equilibrium water content in the membrane, and the like. In the case of the sulfonic acid membrane of the copolymer (2), it is generally in the range of about 100 to 150 ° C. Therefore, in this case, the temperature during hot pressing is at least 140 ° C or lower, preferably 130 ° C or lower. The softening temperature of the K-type or Na-type cation exchange membrane depends on the average molecular weight and ion exchange capacity of the copolymer constituting the membrane and the equilibrium water content in the membrane. Since the sulfonic acid membrane of the copolymer of the above formula (1) or (2) is considered to form an ionic cross-linking type structure, it has a higher softening temperature than that of the H-form, and is generally about 2
It is in the range of 00 to 260 ℃. Therefore, the temperature during hot pressing is at least 250 ° C or lower, preferably 200 ° C or lower.

【0026】ホットプレス時の圧力は、H形である前記
式(1) または(2) のコポリマーのスルホン酸膜の場合、
少なくとも80kg/cm2以上、好ましくは120kg/cm2以上で
あり、K形またはNa形の場合は少なくとも120 kg/cm2
上、好ましくは140 kg/cm2以上である。ホットプレスの
時間は、圧力、温度等により変化し得るが、通常数分〜
数十分であり、例えば5〜60分である。
In the case of the sulfonic acid membrane of the copolymer of the above formula (1) or (2) which is H type, the pressure during hot pressing is
It is at least 80 kg / cm 2 or more, preferably 120 kg / cm 2 or more, and in the case of K type or Na type, it is at least 120 kg / cm 2 or more, preferably 140 kg / cm 2 or more. The hot pressing time may vary depending on the pressure, temperature, etc., but is usually several minutes to
It is several tens of minutes, for example, 5 to 60 minutes.

【0027】本発明に使用する陽イオン交換膜の平均分
子量は膜の機械的強度及び製膜性の観点から、好ましく
は30万〜240 万、より好ましくは90万〜120 万である
が、これに限定されるものではない。コポリマー溶液ま
たは分散液のコポリマー平均分子量は、膜よりも若干低
いか同程度である。ホットプレスの後、一体化されたP
EMFC用ガス拡散電極は、使用されたコポリマー膜が
K形またはNa形の場合には、室温で5重量%硫酸水溶液
に16時間程度浸漬することによりH形に変えられる。
The average molecular weight of the cation exchange membrane used in the present invention is preferably 300,000 to 2.4 million, more preferably 900,000 to 1.2 million, from the viewpoints of mechanical strength and film forming property of the membrane. It is not limited to. The copolymer average molecular weight of the copolymer solution or dispersion is slightly lower or comparable to that of the membrane. Integrated P after hot pressing
The gas diffusion electrode for EMFC can be changed to H type by immersing it in a 5 wt% sulfuric acid aqueous solution at room temperature for about 16 hours when the copolymer film used is K type or Na type.

【0028】図1に示した通り、上記カーボン布または
カーボンペーパーの電極触媒層が設けられた面とは反対
の面にはカーボンプレート(微粉末炭素とポリフッ化ビ
ニリデン粉末または低分子化したポリテトラフルオロエ
チレン粉末をドライブレンドしてホットプレスにより板
状に成形したもの)7及び8が設けられる。両極のカー
ボンプレートの厚さは数mmであり、その内面には燃料ガ
スを供給するための幅約1.0 〜1.5mm 、深さ約1.0 〜1.
2mm の溝が約1.0 〜1.5mm 間隔で垂直に設けられてお
り、ガスは下側から上方へ供給される。本発明方法によ
り製造されたガス拡散電極を使用したPEMFCは、水
素/空気または酸素を供給して運転することが可能であ
り、アノード側燃料ガスとして天然ガス改質ガス(COが
5PPM 以下のH2/CO2 ガス)、メタノール/水蒸気改質
ガス(COが5PPM 以下のH2/CO2 ガス) 、水素貯蔵合金
から脱着された水素、CNG 改質ガス(COが5PPM 以下の
水素含有ガス) 、さらに食塩電解で副生される水素等を
使用して運転することも可能である。尚、PEMFCで
は、アノード側からプロトンがカソードへ移動する際に
プロトン1モルに対して、水が3〜5モル程度同伴され
るので、膜のアノード側のドライアップ(dry up)を防止
するために予め吸湿させた水素を供給することが好まし
い。
As shown in FIG. 1, a carbon plate (fine carbon powder and polyvinylidene fluoride powder or low molecular weight polytetrafluorocarbon) was formed on the surface of the carbon cloth or carbon paper opposite to the surface on which the electrode catalyst layer was provided. Fluoroethylene powder is dry blended and molded into a plate shape by hot pressing) 7 and 8. The thickness of the carbon plates of both poles is several mm, and the inner surface has a width of about 1.0 to 1.5 mm for supplying fuel gas and a depth of about 1.0 to 1.
The 2 mm grooves are vertically provided at intervals of about 1.0 to 1.5 mm, and the gas is supplied from the lower side to the upper side. The PEMFC using the gas diffusion electrode manufactured by the method of the present invention can be operated by supplying hydrogen / air or oxygen, and can use a natural gas reformed gas (CO having a hydrogen content of 5 PPM or less as the anode side fuel gas). 2 / CO 2 gas), methanol / steam reformed gas (H 2 / CO 2 gas with CO less than 5 PPM), hydrogen desorbed from hydrogen storage alloy, CNG reformed gas (hydrogen-containing gas with CO less than 5 PPM) Further, it is also possible to operate by using hydrogen or the like, which is a by-product of salt electrolysis. Incidentally, in PEMFC, when protons move from the anode side to the cathode, about 3 to 5 moles of water are entrained with 1 mole of protons, so that it is necessary to prevent dry up on the anode side of the membrane. It is preferable to supply hydrogen that has been previously absorbed.

【0029】アノード及びカソードのターミナル端子は
カーボン布またはカーボンペーパー及びカーボンプレー
トのいずれに設けられてもよく、これらのターミナルか
ら直流電流を取り出すことが可能である。本発明の方法
により製造されたPEMFC用ガス拡散電極を使用した
PEMFCは、自動車用、潜水艦用、宇宙用、オンサイ
ト発電用として好適であり、またニッケル−カドミウム
二次電池の代替、クロル−アルカリ電解の副生水素利
用、カソード側で得られる温水の暖房等への利用等の効
用も期待できる。
The terminal terminals of the anode and the cathode may be provided on any of carbon cloth or carbon paper and carbon plate, and direct current can be taken out from these terminals. The PEMFC using the gas diffusion electrode for PEMFC manufactured by the method of the present invention is suitable for automobiles, submarines, space, on-site power generation, and is an alternative to nickel-cadmium secondary batteries, chlor-alkali. The use of by-product hydrogen for electrolysis and the heating of hot water obtained on the cathode side can be expected to be useful.

【0030】[0030]

【発明の効果】本発明方法においては、アノード用及び
カソード用の電極触媒層を被覆したカーボン布またはカ
ーボンペーパーを陽イオン交換膜に接合する際に使用す
るバインダーとして陽イオン交換膜のパーフルオロスル
ホン酸系コポリマーと同種のパーフルオロスルホン酸系
コポリマー溶液または分散液を使用することによりホッ
トプレスの条件設定を容易にするものであるが、さらに
コポリマーがNa形またはK形である場合はこれにより陽
イオン交換膜自体の軟化温度が高くなりホットプレスを
高温で行うことができ、陽イオン交換膜面と電極触媒層
の密着性と結合性が改善されることにより電気抵抗性が
著しく改善され、従って高いセル電圧を発生するPEM
FCを提供し得るPEMFC用ガス拡散電極を製造する
ことができる。また、カーボン布またはカーボンペーパ
ー上に被覆された電極触媒層を陽イオン交換膜の両面に
1回のホットプレスで接合することができるので、極め
て効率よくPEMFC用ガス拡散電極を製造することが
できる。
In the method of the present invention, the perfluorosulfone of the cation exchange membrane is used as a binder when bonding the carbon cloth or carbon paper coated with the anode and cathode electrode catalyst layers to the cation exchange membrane. The use of a perfluorosulfonic acid-based copolymer solution or dispersion of the same type as the acid-based copolymer facilitates the setting of hot press conditions. However, when the copolymer is Na-type or K-type, it can be used positively. The softening temperature of the ion exchange membrane itself becomes high and hot pressing can be performed at a high temperature, and the electrical resistance is remarkably improved by improving the adhesion and bonding between the cation exchange membrane surface and the electrode catalyst layer. PEM that generates high cell voltage
A gas diffusion electrode for PEMFC capable of providing FC can be manufactured. Further, since the electrode catalyst layer coated on the carbon cloth or carbon paper can be bonded to both surfaces of the cation exchange membrane by hot pressing once, the gas diffusion electrode for PEMFC can be manufactured very efficiently. .

【0031】[0031]

【実施例】以下、実施例により本発明の詳細を説明する
が、本発明はこれらの実施例に限定されるものではな
い。
The present invention will be described in detail below with reference to examples, but the present invention is not limited to these examples.

【0032】実施例1 前記式(1) の構造を有するパーフルオロスルホン酸系コ
ポリマーでH形である膜(乾燥膜厚が125 μm 、イオン
交換容量が1.12ミリ当量/g(乾燥樹脂)、軟化温度約 1
40℃、平均分子量約100 万)を使用した。一方、表面積
が約 200m2/g、平均粒子径が約 100オングストロームの
炭素粒子(E−TEK社製Vulcan XC-72) の表面に粒径
5〜20オングストロームの白金触媒を9.9 重量%担持さ
せた電極触媒と約50重量%ポリテトラフルオロエチレン
分散液からなる混合物で、ポリテトラフルオロエチレン
含有量が約50重量%になるように均一に混合して調製し
たペースト状混合物を調製し、これをカーボン布(東レ
(株)製平織炭素繊維布トレカ#6644B、厚さ0.38mm、32
0g/m2)の表面に厚さ約 100μm で均一に塗布し乾燥した
後、340 ℃で約30分ホットプレスして白金付着量が約0.
5 mg/cm2 (電極面積)のアノード用の電極触媒層を被
覆したカーボン布(I)を形成した。別に、上記と同様
に形成した電極触媒層を被覆したカーボン布(I)の電
極触媒層とは反対の面に、白金触媒を担持していない炭
素粒子Vulcan XC-72とポリテトラフルオロエチレンエマ
ルジョンを上記と同様にして均一に混合して調製したペ
ースト状混合物を厚さ約50μm で均一に塗布し乾燥した
後、340 ℃で約25分ホットプレスして該面に撥水性を付
与した撥水処理したカソード用の電極触媒層を被覆した
カーボン布(II)を得た。次に低級アルコールを主体と
する混合溶媒中の前記式(1) においてXがHである構造
を有するH形のパーフルオロスルホン酸コポリマー(イ
オン交換容量約0.91ミリ当量/g (乾燥樹脂)、平均分
子量約90万)の5重量%溶液であるNafionSolution (Al
drich Chemical Co. から販売)を前記カーボン布
(I)及び(II)の電極触媒層表面に乾燥膜厚で約5 〜10
μm となるように塗布し、乾燥した。これらのカーボン
布(I)及び(II)と前記陽イオン交換膜を、カーボン布
(I)及び(II)のNafion Solution の被覆面が陽イオン
交換膜の両面に接触するように載置し約 130℃、約 140
kg/cm2で約60分ホットプレスしてカーボン布(I)及び
(II)と陽イオン交換膜を一体化してPEMFC用ガス拡
散電極を作成した。上記で得られた一体化されたPEM
FC用ガス拡散電極の両面のカーボン布上に、アノード
及びカソード用のカーボンプレート(内側面に垂直方向
に幅1.2mm、深さ1.2mm の溝が間隔1.2mm で設けられて
おり、溝近傍の背面内部に冷却水を供給する通路を設け
たもの)を耐熱性シリコンゴムからなるガスケットを介
してそれぞれ圧着してPEMFCとした(有効電極面積
12.5cm×12.5cm)。このPEMFCに水素及び酸素をそ
れぞれ3atm 及び5atm で供給し、80℃で運転した結
果、次の性能が得られた。 セル電流密度(A/cm2) 1.0 2.0 3.0 セル電圧(Volt) 0.71 0.62 0.51
Example 1 H-type membrane of perfluorosulfonic acid type copolymer having the structure of the above formula (1) (dry film thickness 125 μm, ion exchange capacity 1.12 meq / g (dry resin), softening Temperature about 1
40 ° C, average molecular weight about 1 million) was used. On the other hand, 9.9% by weight of a platinum catalyst having a particle size of 5 to 20 angstroms was supported on the surface of carbon particles (Vulcan XC-72 manufactured by E-TEK) having a surface area of about 200 m 2 / g and an average particle size of about 100 angstrom. Prepare a paste-like mixture that is a mixture of an electrode catalyst and about 50% by weight polytetrafluoroethylene dispersion and is uniformly mixed so that the polytetrafluoroethylene content is about 50% by weight. Cloth (Toray
Plain woven carbon fiber cloth trading card # 6644B, thickness 0.38 mm, 32
(0 g / m 2 ) on the surface with a thickness of about 100 μm, dried, and then hot-pressed at 340 ° C for about 30 minutes to obtain a platinum coverage of about 0.
A carbon cloth (I) coated with an electrode catalyst layer for an anode of 5 mg / cm 2 (electrode area) was formed. Separately, on the surface of the carbon cloth (I) coated with the electrode catalyst layer formed in the same manner as above, on the side opposite to the electrode catalyst layer, the carbon particles Vulcan XC-72 not supporting the platinum catalyst and the polytetrafluoroethylene emulsion were formed. A paste-like mixture prepared by uniformly mixing in the same manner as above was applied uniformly to a thickness of about 50 μm, dried, and then hot pressed at 340 ° C. for about 25 minutes to impart water repellency to the surface. A carbon cloth (II) coated with the cathode electrode catalyst layer was obtained. Next, H-form perfluorosulfonic acid copolymer having a structure in which X is H in the above formula (1) in a mixed solvent mainly composed of lower alcohol (ion exchange capacity of about 0.91 meq / g (dry resin), average) Nafion Solution (Al, which is a 5 wt% solution with a molecular weight of about 900,000)
drich Chemical Co.) on the surface of the electrode catalyst layers of the carbon cloths (I) and (II) in a dry film thickness of about 5-10.
It was applied so as to have a thickness of μm and dried. These carbon cloths (I) and (II) and the cation exchange membrane are placed so that the coated surfaces of the carbon cloths (I) and (II) with Nafion Solution are in contact with both surfaces of the cation exchange membrane. 130 ° C, approx. 140
Carbon cloth (I) and hot-pressed for about 60 minutes at kg / cm 2
A gas diffusion electrode for PEMFC was prepared by integrating (II) and a cation exchange membrane. Integrated PEM obtained above
Carbon plates for the anode and cathode are provided on the carbon cloth on both sides of the FC gas diffusion electrode (grooves with a width of 1.2 mm and a depth of 1.2 mm are provided at a distance of 1.2 mm in the vertical direction on the inner surface, and in the vicinity of the grooves. PEMFC (effective electrode area) was obtained by crimping each of the back inside with a passage for supplying cooling water through a gasket made of heat resistant silicone rubber.
12.5cm x 12.5cm). Hydrogen and oxygen were supplied to the PEMFC at 3 atm and 5 atm, respectively, and the PEMFC was operated at 80 ° C. As a result, the following performances were obtained. Cell current density (A / cm 2 ) 1.0 2.0 3.0 Cell voltage (Volt) 0.71 0.62 0.51

【0033】実施例2 前記構造式(2) の構造を有するコポリマーからなる陽イ
オン交換膜(H形、乾燥膜厚 125μm 、イオン交換容量
1.33ミリ当量/g(乾燥樹脂)、軟化温度約 130℃、平均
分子量約90万)を用い、電極触媒層を被覆したカーボン
布と陽イオン交換膜の一体化のためのホットプレスを温
度約 120℃、圧力約 140kg/cm2で約60分間行った以外は
実施例1と同様にしてPEMFC用電極を作成した。さ
らに実施例1と同様にしてPEMFCを形成し運転した
結果、次の性能が得られた。 セル電流密度(A/cm2) 1.0 2.0 3.0 セル電圧(Volt) 0.78 0.68 0.58
Example 2 A cation exchange membrane (H type, dry film thickness 125 μm, ion exchange capacity, comprising a copolymer having the structure of the above structural formula (2))
Using 1.33 meq / g (dry resin), softening temperature of about 130 ° C, average molecular weight of about 900,000, a hot press for integrating the carbon cloth coated with the electrode catalyst layer and the cation exchange membrane was performed at a temperature of about 120. An electrode for PEMFC was prepared in the same manner as in Example 1 except that the treatment was carried out at a temperature of about 140 kg / cm 2 for about 60 minutes. Further, as a result of forming and operating a PEMFC in the same manner as in Example 1, the following performance was obtained. Cell current density (A / cm 2 ) 1.0 2.0 3.0 Cell voltage (Volt) 0.78 0.68 0.58

【0034】実施例3 前記構造式(1) の構造を有するコポリマーからなる陽イ
オン交換膜(H形、乾燥膜厚76μm 、イオン交換容量1.
12ミリ当量/g(乾燥樹脂)、軟化温度約 135℃、平均分
子量約90万)を用い、電極触媒層を被覆したカーボン布
と陽イオン交換膜の一体化のためのホットプレスを温度
約 125℃、圧力約 130kg/cm2で約60分間行った以外は実
施例1と同様にしてPEMFC用ガス拡散電極を作成し
た。さらに実施例1と同様にしてPEMFCを形成し、
酸素の代わりに空気を供給した以外は実施例1と同様に
運転した結果、次の性能が得られた。 セル電流密度(A/cm2) 1.0 2.0 3.0 セル電圧(Volt) 0.73 0.63 0.53
Example 3 A cation exchange membrane (H type, dry film thickness: 76 μm, ion exchange capacity: 1.) comprising a copolymer having the structure of the above structural formula (1).
Using 12 meq / g (dry resin), softening temperature of about 135 ° C, average molecular weight of about 900,000), a hot press for integrating the carbon cloth coated with the electrode catalyst layer and the cation exchange membrane was performed at a temperature of about 125. A gas diffusion electrode for PEMFC was prepared in the same manner as in Example 1 except that the treatment was carried out at a temperature of about 130 kg / cm 2 for about 60 minutes. Further, a PEMFC is formed in the same manner as in Example 1,
As a result of operating in the same manner as in Example 1 except that air was supplied instead of oxygen, the following performance was obtained. Cell current density (A / cm 2 ) 1.0 2.0 3.0 Cell voltage (Volt) 0.73 0.63 0.53

【0035】実施例4 前記構造式(1) の構造を有するコポリマーからなる陽イ
オン交換膜(Na形、乾燥膜厚 100μm 、イオン交換容量
1.12ミリ当量/g(乾燥樹脂)、軟化温度約 220℃、平均
分子量約 100万)を用い、白金付着量は約0.2 mg/cm2
なるようにし、Nafion Solution の代わりにNafion Sol
ution の中に含まれるスルホン酸基のHを実質的に全て
Naに換えるのに必要な量の5重量%NaOH水溶液で中和し
たものを使用し、さらに電極触媒層を被覆したカーボン
布と陽イオン交換膜の一体化のためのホットプレスを温
度約 210℃、圧力約 150kg/cm2で約60分間行った以外は
実施例1と同様にしてPEMFCガス用拡散電極を作成
した。このガス拡散電極を5%硫酸水溶液中に室温で約
16時間浸漬して全体をH形に変えた。さらに実施例1
と同様にしてPEMFCを形成し、酸素の代わりに空気
を供給した以外は実施例1と同様に運転した結果、次の
性能が得られた。 セル電流密度(A/cm2) 1.0 2.0 3.0 セル電圧(Volt) 0.72 0.62 0.52
Example 4 A cation exchange membrane (Na type, dry film thickness 100 μm, ion exchange capacity) made of a copolymer having the structure of the above structural formula (1).
1.12 meq / g (dry resin), softening temperature about 220 ° C, average molecular weight about 1 million), and the amount of platinum deposited was about 0.2 mg / cm 2, and Nafion Sol was used instead of Nafion Solution.
Substantially all H of sulfonic acid group contained in ution
Use the one neutralized with 5 wt% NaOH aqueous solution necessary for changing to Na, and use a hot press for integrating the carbon cloth coated with the electrode catalyst layer and the cation exchange membrane at a temperature of about 210 ° C. A diffusion electrode for PEMFC gas was prepared in the same manner as in Example 1 except that the pressure was about 150 kg / cm 2 for about 60 minutes. The gas diffusion electrode was immersed in a 5% aqueous solution of sulfuric acid at room temperature for about 16 hours to convert the whole into an H shape. Further Example 1
As a result of operating in the same manner as in Example 1 except that a PEMFC was formed in the same manner as described above and air was supplied instead of oxygen, the following performance was obtained. Cell current density (A / cm 2 ) 1.0 2.0 3.0 Cell voltage (Volt) 0.72 0.62 0.52

【0036】実施例5 カーボン布トレカ#6644Bの代わりにカーボンペーパー
(東レ(株)製TPG-120、厚さ0.37mm、170g/m2)を使用し
た以外は実施例1と同様にしてPEMFC用ガス拡散電
極を作成し、PEMFCを形成して運転した結果、次の
性能が得られた。 セル電流密度(A/cm2) 1.0 2.0 3.0 セル電圧(Volt) 0.72 0.62 0.52
Example 5 For PEMFC as in Example 1, except that carbon paper (TPG-120 manufactured by Toray Industries, Inc., thickness: 0.37 mm, 170 g / m 2 ) was used in place of the carbon cloth trading card # 6644B. The following performance was obtained as a result of making a gas diffusion electrode and forming and operating a PEMFC. Cell current density (A / cm 2 ) 1.0 2.0 3.0 Cell voltage (Volt) 0.72 0.62 0.52

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

【図1】図1は電解質として陽イオン交換膜を使用する
プロトン移動タイプの固体高分子電解質型燃料電池の概
略断面図である。
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of a proton transfer type solid polymer electrolyte fuel cell using a cation exchange membrane as an electrolyte.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 パーフルオロスルホン酸系コポリマー陽イオン交換
膜 2 アノード電極触媒層 3 カソード電極触媒層 4 アノード用カーボン布またはペーパー 5 カソード用カーボン布またはペーパー 6 カーボン布またはペーパーの電極触媒層とは反対側
の面に被覆された撥水処理層 7 アノード用水素含有ガス供給用溝付きカーボンプレ
ート 8 カソード用酸素または空気供給用溝付きカーボンプ
レート 9 カソード用冷却水供給路
1 Perfluorosulfonic Acid Copolymer Cation Exchange Membrane 2 Anode Electrode Catalyst Layer 3 Cathode Electrode Catalyst Layer 4 Anode Carbon Cloth or Paper 5 Cathode Carbon Cloth or Paper 6 Carbon Cloth or Paper Opposite to Electrode Catalyst Layer 7. Water repellent treatment layer coated on 7 Carbon plate with groove for supplying hydrogen-containing gas for anode 8 Carbon plate with groove for supplying oxygen or air for cathode 9 Cooling water supply channel for cathode

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 陽イオン交換膜の両面にアノード用及び
カソード用の電極触媒層とカーボン布またはカーボンペ
ーパーをこの順で有する固体高分子電解質型燃料電池用
ガス拡散電極の製造方法であって、 アノード用の導電性及びガス透過性を有するカーボン布
またはカーボンペーパーの表面に、電極触媒を担持した
炭素粒子とポリテトラフルオロエチレン分散液とからな
る混合物を被覆して圧着接合させることにより電極触媒
層を設けるとともに、これとは別にカソード用として、
アノード用のものと同様にして電極触媒層を設けたカー
ボン布またはカーボンペーパーの電極触媒層とは反対側
の面に炭素粒子とポリテトラフルオロエチレン分散液と
からなる混合物を被覆して圧着接合させることにより撥
水性層を設け、テトラフルオロエチレン単位と側鎖にス
ルホン酸基を有するパーフルオロビニルエーテル単位か
らなる下記構造式(1) または(2) 【化1】 (XはH、NaまたはKを表し、kは約2.1 〜約7.6 であ
り、mは約3.8 〜9.3 であり、l及びnは正の数を表
す)のパーフルオロスルホン酸基を有するコポリマー膜
からなり、室温条件下乾燥状態で膜厚が50〜150μ
m 、イオン交換容量が0.83〜1.43ミリ当量/g(乾燥樹
脂)である陽イオン交換膜表面に、前記アノード用及び
カソード用のカーボン布またはカーボンペーパー表面に
設けた電極触媒層をその表面が前記陽イオン交換膜に接
触するようにしてカーボン布またはカーボンペーパーと
ともに圧着接合することからなり、前記電極触媒層と陽
イオン交換膜との圧着接合を、圧着接合される陽イオン
交換膜及び電極触媒層の表面のいずれかまたは両方に上
記構造式(1) または(2) を有しかつ使用する陽イオン交
換膜のコポリマーのXと同じ種類の元素をXとして有す
るパーフルオロスルホン酸系コポリマーの溶液または分
散液を被覆し、各接合面を合わせて電極触媒層を設けた
カーボン布またはカーボンペーパーと陽イオン交換膜と
を載置し、陽イオン交換膜のコポリマーの軟化温度より
も10℃以上低い温度で全体をホットプレスして行うこと
を特徴とする固体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 method for producing a gas diffusion electrode for a solid polymer electrolyte fuel cell, comprising an electrode catalyst layer for an anode and a cathode and a carbon cloth or carbon paper on both sides of a cation exchange membrane in this order, Electrode catalyst layer by coating the surface of a carbon cloth or carbon paper having electrical conductivity and gas permeability for an anode with a mixture of carbon particles supporting an electrode catalyst and a polytetrafluoroethylene dispersion and press-bonding the mixture. And for the cathode separately from this,
Similar to the one for the anode, a surface of the carbon cloth or carbon paper opposite to the electrode catalyst layer provided with the electrode catalyst layer is coated with a mixture of carbon particles and a polytetrafluoroethylene dispersion and pressure-bonded. Accordingly, a water repellent layer is provided, and the following structural formula (1) or (2) consisting of a tetrafluoroethylene unit and a perfluorovinyl ether unit having a sulfonic acid group in the side chain is represented by the following formula: (X represents H, Na or K, k is about 2.1 to about 7.6, m is about 3.8 to 9.3, and 1 and n are positive numbers). And has a film thickness of 50-150μ when dried at room temperature.
m, an cation exchange membrane surface having an ion exchange capacity of 0.83 to 1.43 meq / g (dry resin), an electrode catalyst layer provided on the surface of the carbon cloth or carbon paper for the anode and the cathode is A cation exchange membrane and an electrode catalyst layer, which are pressure-bonded together with a carbon cloth or carbon paper so as to be in contact with the cation exchange membrane, and the electrode catalyst layer and the cation exchange membrane are pressure-bonded. A solution of a perfluorosulfonic acid-based copolymer having the above structural formula (1) or (2) on one or both surfaces of the above and having X as an element of the same kind as X of the copolymer of the cation exchange membrane to be used, or A cation exchange membrane is placed by placing a carbon cloth or carbon paper on which the dispersion liquid is covered and the electrode catalyst layers are provided so that the respective joint surfaces are aligned with each other and the cation exchange membrane. The process for producing a solid polyelectrolyte type fuel cell gas diffusion electrode and performing the whole was hot pressed at a temperature lower 10 ° C. or higher than the softening temperature of the copolymer.
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