JPH06295729A - High performance high polymer electrolyte type fuel cell - Google Patents

High performance high polymer electrolyte type fuel cell

Info

Publication number
JPH06295729A
JPH06295729A JP6013550A JP1355094A JPH06295729A JP H06295729 A JPH06295729 A JP H06295729A JP 6013550 A JP6013550 A JP 6013550A JP 1355094 A JP1355094 A JP 1355094A JP H06295729 A JPH06295729 A JP H06295729A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
conductive material
catalyst layer
catalyst
water
manufactured
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
JP6013550A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Kazuo Okuyama
和雄 奥山
Yoshio Suzuki
良雄 鈴木
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Asahi Chemical Industry Co Ltd
Original Assignee
Asahi Chemical Industry Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Asahi Chemical Industry Co Ltd filed Critical Asahi Chemical Industry Co Ltd
Priority to JP6013550A priority Critical patent/JPH06295729A/en
Publication of JPH06295729A publication Critical patent/JPH06295729A/en
Withdrawn legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

Landscapes

  • Inert Electrodes (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

PURPOSE:To provide a fuel cell having excellent output characteristics by mixing a catalyst carrying conductive material, a water repellent agent and a proton conductive material together, and forming a catalyst layer of obtained mixture. CONSTITUTION:A catalyst layer is formed by mixing a catalyst carrying conductive material, a water repellent agent and a proton conductive material together at a specific rate, and in the result the proton conductive material exists through all the area containing the thickness direction of the catalyst layer. As for weight % of the three parties of the catalyst carrying conductive material, the water repellent agent and the proton conductive material in the catalyst layer, the conductive material is 0.400-0.995, and the water replellent agent is 0-0.550, and the proton conductive material is 0.005-0.080. When this specific mixing rate is not satisfied, an expected effect cannot be attained.

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、固体高分子電解質型燃
料電池(以下、PEFCと称する。)に関するものであ
る。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a solid polymer electrolyte fuel cell (hereinafter referred to as PEFC).

【0002】[0002]

【従来の技術】低公害性と高効率性という特徴により、
燃料電池が注目されている。燃料電池は水素やメタノー
ル等の燃料を酸素又は空気を用いて電気化学的に酸化
し、燃料の化学エネルギーを電気エネルギーとして取り
出すものである。用いる電解質の種類により酸型、溶融
炭酸塩型、固体酸化物型等に分類される。この中で、低
温作動性と高出力密度という特徴から、近年特にPEF
Cが注目されてきた。
2. Description of the Related Art Due to the characteristics of low pollution and high efficiency,
Fuel cells are receiving attention. A fuel cell electrochemically oxidizes a fuel such as hydrogen or methanol using oxygen or air to take out the chemical energy of the fuel as electric energy. It is classified into an acid type, a molten carbonate type, a solid oxide type, etc. depending on the type of electrolyte used. Among these, PEF has been particularly popular in recent years due to its characteristics of low temperature operation and high power density.
C has received attention.

【0003】図2を用いてPEFCの基本構造について
説明する。図2に示すように電池本体は固体高分子電解
質膜の両側にガス拡散電極が接合されることにより構成
されている。ガス拡散電極には触媒が担持されており、
電池反応は固体高分子電解質膜とガス拡散電極の接合界
面にて生じる。例えば、ガス拡散電極2に水素ガスを流
すと膜との接合界面で、2H2 →4H+ +4e- の反応
が生じる。H+ は固体高分子電解質膜3を通って対極の
ガス拡散電極1に移動する。このガス拡散電極1に酸素
ガスを流すと、O2 +4H+ +4e- →2H2 Oの反応
が膜と電極の界面で生じ、水が生成すると同時に電極エ
ネルギーが得られる。
The basic structure of PEFC will be described with reference to FIG. As shown in FIG. 2, the battery body is constituted by joining gas diffusion electrodes to both sides of the solid polymer electrolyte membrane. A catalyst is supported on the gas diffusion electrode,
The cell reaction occurs at the joint interface between the solid polymer electrolyte membrane and the gas diffusion electrode. For example, when hydrogen gas is flown through the gas diffusion electrode 2, a reaction of 2H 2 → 4H + + 4e occurs at the bonding interface with the film. H + moves to the counter electrode gas diffusion electrode 1 through the solid polymer electrolyte membrane 3. When oxygen gas is passed through the gas diffusion electrode 1, a reaction of O 2 + 4H + + 4e → 2H 2 O occurs at the interface between the membrane and the electrode, water is generated, and at the same time, electrode energy is obtained.

【0004】上述のように、電解質膜を介して該膜とガ
ス拡散電極の界面で、かつ触媒の存在する所で電気化学
反応が生じることから、界面の広さが出力性能に直接影
響を与えることになるが、界面を広げるためにプロトン
導伝材を溶媒に溶かして電極表面に塗布してからイオン
交換膜と接合したり、電極構成カーボンに粉状の固体高
分子電解質を予め混合した後に電極作成する(特開昭6
1−67787号公報、特開昭61−67788号公
報)工夫がされている。これらの電極とイオン交換膜の
接合は加熱しながら圧力をかけて行われる。
As described above, since an electrochemical reaction occurs at the interface between the membrane and the gas diffusion electrode through the electrolyte membrane and in the presence of the catalyst, the width of the interface directly affects the output performance. However, in order to widen the interface, after dissolving the proton conductive material in a solvent and applying it on the electrode surface and then joining with the ion exchange membrane, or after premixing powdery solid polymer electrolyte with the electrode constituent carbon Create an electrode
1-67787, Japanese Patent Laid-Open No. 61-67788). Bonding of these electrodes and the ion exchange membrane is performed by applying pressure while heating.

【0005】しかしながらその出力性能が不十分であ
り、さらなる向上が切望されている。
However, its output performance is insufficient and further improvement is desired.

【0006】[0006]

【発明が解決しようとする課題】本発明は出力性能に優
れた燃料電池を提供することを目的とする。
An object of the present invention is to provide a fuel cell having excellent output performance.

【0007】[0007]

【課題を解決するための手段】本発明者らは、ガス拡散
電極の触媒層の構造に関して鋭意検討した結果、少なく
とも比表面積の大きな親水性の導電材に触媒を担持した
触媒担持導電材と疎水性の撥水剤と親水性基を有するプ
ロトン導伝材の溶液を混合し、得られた混合物から触媒
層を作製することにより電池出力が増加することを見出
し、本発明に至った。
Means for Solving the Problems As a result of intensive studies on the structure of the catalyst layer of the gas diffusion electrode, the present inventors have found that a catalyst-carrying conductive material in which a catalyst is carried on a hydrophilic conductive material having at least a large specific surface area and a hydrophobic material. The present inventors have found that the battery output is increased by mixing a solution of a water-repellent agent having a hydrophilic property with a solution of a proton conductive material having a hydrophilic group and forming a catalyst layer from the obtained mixture, and thus the present invention has been accomplished.

【0008】即ち、本発明は、電解質であるイオン交換
膜と、触媒層を有するガス拡散電極とを接合した燃料電
池において、該触媒層が少なくとも触媒担持導電材と撥
水剤とプロトン導伝材とを混合し、その後成形すること
により該触媒層の厚さ方向を含む全領域にプロトン導伝
材が存在することを特徴とし、かつ該触媒層内で、触媒
を担持している導電材と撥水剤とプロトン導伝材の三者
の重量分率が、導電材0.400〜0.995,撥水剤
0〜0.550,プロトン導伝材0.005〜0.08
0であることを特徴とする高性能な高分子電解質型燃料
電池である。
That is, according to the present invention, in a fuel cell in which an ion exchange membrane as an electrolyte and a gas diffusion electrode having a catalyst layer are joined, the catalyst layer is at least a catalyst-supporting conductive material, a water repellent, and a proton conductive material. Is mixed and then molded so that the proton conducting material exists in the entire region including the thickness direction of the catalyst layer, and in the catalyst layer, a conductive material carrying a catalyst and The weight fractions of the water repellent and the proton conductive material are 0.400 to 0.995 of the conductive material, 0 to 0.550 of the water repellent, and 0.005 to 0.08 of the proton conductive material.
It is a high-performance polymer electrolyte fuel cell characterized by being 0.

【0009】本発明において電解質として用いるイオン
交換膜は含フッ素高分子を骨格として少なくともスルホ
ン酸基、カルボン酸基、ホスホン酸基、及びリン酸基の
うちから1種を有するものが好ましい。しかし、ポリエ
チレン等のポリオレフィン膜にスルホン酸基やカルボン
酸基を有する単量体をグラフト重合反応等で導入した膜
も使用可能である。
The ion exchange membrane used as an electrolyte in the present invention is preferably one having at least one of a sulfonic acid group, a carboxylic acid group, a phosphonic acid group, and a phosphoric acid group as a skeleton of a fluoropolymer. However, a film obtained by introducing a monomer having a sulfonic acid group or a carboxylic acid group into a polyolefin film such as polyethylene by a graft polymerization reaction or the like can also be used.

【0010】含フッ素高分子膜としては、例えば、テト
ラフルロエチレン、トリフルオロモノクロロエチレン、
トリフルオロエチレン、フッ化ビニリデン、1,1−ジ
フルオロ−2,2−ジクロロエチレン、1,1−ジフル
オロ−2−クロロエチレン、ヘキサフルオロプロピレ
ン、1,1,1,3,3−ペンタフルオロプロピレン、
オクタフルオロイソブチレン、エチレン、塩化ビニル、
及びアルキルビニルエステル等の第一群のモノマーと、
下記一般式(1)、 Y−(CF2 a −(CFRf b −(CFR fc −O− −〔CF(CF2 X)−CF2 −O〕n −CF=CF2 ……… (1) (式中、Yは−SO2 F,−SO3 NH ,−COO
H,−CN,−COF,COOR(Rは炭素数1〜10
のアルキル基)、−PO3 2 ,−PO3 Hであり、a
は0〜6、bは0〜6NO整数、cは0または1であ
り、但しa+b+cは0に等しくはならない。Xはn>
1のときC1、Br、Fまたはそれらの混合物であり、
nは0〜6である。Rf およびR’f は独立にF、C
1、1〜約10個の炭素原子を有するペルフルオロアル
キル基及び1〜10個の炭素原子を有するフルオロクロ
ロアルキル基からなる群から選択される。)で表される
第二群のモノマーとから第二群モノマーを必須として選
ばれた2種以上、通常は2乃至3種の共重合体である。
Examples of the fluorine-containing polymer film include tetrafluroethylene, trifluoromonochloroethylene,
Trifluoroethylene, vinylidene fluoride, 1,1-difluoro-2,2-dichloroethylene, 1,1-difluoro-2-chloroethylene, hexafluoropropylene, 1,1,1,3,3-pentafluoropropylene,
Octafluoroisobutylene, ethylene, vinyl chloride,
And a first group of monomers such as alkyl vinyl esters,
Following general formula (1), Y- (CF 2 ) a - (CFR f) b - (CFR f) c -O- - [CF (CF 2 X) -CF 2 -O ] n -CF = CF 2 ... ...... (1) (wherein, Y is -SO 2 F, -SO 3 NH, -COO
H, -CN, -COF, COOR (R has 1 to 10 carbon atoms
Alkyl group) in, - PO 3 H 2, a -PO 3 H, a
Is 0-6, b is 0-6 NO integer, c is 0 or 1, provided that a + b + c is not equal to 0. X is n>
When 1, it is C1, Br, F or a mixture thereof,
n is 0-6. R f and R ′ f are independently F, C
It is selected from the group consisting of perfluoroalkyl groups having 1, 1 to about 10 carbon atoms and fluorochloroalkyl groups having 1 to 10 carbon atoms. ) Is a copolymer of two or more kinds, usually 2 to 3 kinds, selected from the second group of monomers represented by the formula (1) as an essential constituent of the second group of monomers.

【0011】プロトン導伝材はプロトンを導伝する材料
であればよく、好ましくは少なくとも、−SO3 H,−
COOH,−PO3 2 及び−PO3 Hのうちから1種
を有する含フッ素炭化水素である。例えば前記第一群の
モノマーと前記第二群のモノマーから選ばれた第二群モ
ノマーを必須とする2種あるいは3種以上のモノマーの
共重合体、前記第二群のモノマーの1種以上の重合体、
前記第二群のモノマーなどである。
The proton conducting material may be any material that conducts protons, preferably at least --SO 3 H,-
COOH, is a fluorine-containing hydrocarbon having one among the -PO 3 H 2 and -PO 3 H. For example, a copolymer of 2 or 3 or more kinds of monomers essentially including a second group of monomers selected from the first group of monomers and the second group of monomers, or one or more of the second group of monomers. Polymer,
Examples thereof include the second group of monomers.

【0012】重合体はモノマー2分子以上結合しておれ
ば良く、好ましくはその分子量が5000以上である。
分子量が大きい方が触媒層の導伝材への絡まりが良好と
なり耐久性の点でより好ましい。重合体と低分子量化合
物を混合して用いることが好ましく、さらに混合するこ
とで官能基の量(1g当たりの官能基の当量数)を多く
することが可能となる。
It is sufficient that two or more molecules of the monomer are bonded to the polymer, and the molecular weight thereof is preferably 5,000 or more.
The larger the molecular weight, the better the entanglement of the catalyst layer with the conductive material, which is more preferable in terms of durability. It is preferable to use a mixture of the polymer and the low molecular weight compound, and further mixing makes it possible to increase the amount of functional groups (the number of equivalents of functional groups per 1 g).

【0013】プロトン導伝材は、例えばメタノール、エ
タノール、プロパノール、ブタノール等のアルコール
類、N,N’−ジメチルアセドアミド、N,N’−ジメ
チルホルムアミド、ジメチルスルホキシド、スルホラン
等の極性溶媒、テトラヒドロフラン等の環状エーテル
類、および上記溶媒群から選ばれた2種類以上の混合
物、さらには上記溶媒群と水との混合物などの水溶液媒
体に溶解して用いることができる。特にエタノールと水
の混合物やプロパノールと水の混合物が好ましい。
Examples of the proton conducting material include alcohols such as methanol, ethanol, propanol and butanol, polar solvents such as N, N'-dimethylacedamide, N, N'-dimethylformamide, dimethylsulfoxide and sulfolane, and tetrahydrofuran. And the like, and a mixture of two or more kinds selected from the above solvent group, and further dissolved in an aqueous medium such as a mixture of the above solvent group and water. Particularly, a mixture of ethanol and water and a mixture of propanol and water are preferable.

【0014】触媒金属としては、水素の酸化反応あるい
は酸素の還元反応に触媒作用を有するものであればよ
く、例えば、鉛、鉄、マンガン、コバルト、クロム、ガ
リウム、バナジウム、タングステン、ルテニウム、イリ
ジウム、白金、パラジウム、ロジウム、又はそれらの合
金から選択することができる。触媒粒径は10〜300
Åが良く、好ましくは15〜100Åである。10Å未
満のものは現実的に作成が困難であり、一方300Åよ
り大きいと触媒性能が低下する。触媒担持量は、電極成
形後において0.01〜10mg/cm2 であり、好ま
しくは0.1〜0.5mg/cm2 である。触媒が0.
01mg/cm 2 未満では性能が低下し、一方10mg
/cm2 より大では触媒によるコストが大きくなる。
As the catalyst metal, hydrogen oxidation reaction or
Is anything that has a catalytic effect on the reduction reaction of oxygen
For example, lead, iron, manganese, cobalt, chromium, molybdenum
Lithium, vanadium, tungsten, ruthenium, iris
Indium, platinum, palladium, rhodium, or a combination thereof
You can choose from gold. Catalyst particle size is 10-300
Å is good, preferably 15 to 100 Å. 10Å not yet
It is difficult to create a full one, while 300Å
If it is too large, the catalyst performance will decrease. The amount of catalyst supported depends on the electrode
0.01 to 10 mg / cm after shaping2And is preferred
Specifically 0.1-0.5 mg / cm2Is. The catalyst is 0.
01 mg / cm 2If less than 10%, the performance will decrease, while 10mg
/ Cm2The larger the cost, the higher the cost of the catalyst.

【0015】本発明に用いる触媒担持導電材は触媒層に
混合する前に、予め触媒を担持させてから撥水剤やプロ
トン導伝材などと混合するものである。触媒層を構成す
る導電材は電子導電性物質であればよく、例えば各種金
属、炭素材料などがある。炭素材料などとして、例えば
ファーネスブラック、チャンネルブラック、アセチレン
ブラック等のカーボンブラック、活性炭、黒鉛、カーボ
ンファイバー等があり、単独あるいは混合して使用でき
る。触媒担持用炭素材料としてはより親水性を示し、プ
ロトン導伝材の官能基となじみの良いものが好ましく、
比表面積が10〜3000m2 /gのものである。他
方、触媒を担持しない、より疎水性の炭素材料を共存さ
せてもよく、この場合に使われる炭素材料の比表面積
0.1m2 /g〜10m2 /g未満である。
The catalyst-supporting conductive material used in the present invention is such that the catalyst is supported in advance and then mixed with the water repellent agent, the proton conducting material, etc. before being mixed with the catalyst layer. The conductive material forming the catalyst layer may be any electronic conductive material, and examples thereof include various metals and carbon materials. Examples of the carbon material and the like include carbon black such as furnace black, channel black and acetylene black, activated carbon, graphite, carbon fiber and the like, which can be used alone or in combination. It is preferable that the carbon material for supporting the catalyst is more hydrophilic and has good compatibility with the functional group of the proton conducting material.
It has a specific surface area of 10 to 3000 m 2 / g. On the other hand, the catalyst carries no, may be allowed to coexist more hydrophobic carbon material, a specific surface area of 0.1m 2 / g~10m less than 2 / g of the carbon material used in this case.

【0016】撥水剤は、電極反応で生成した水分あるい
は反応ガスを加湿している水分を除去し、反応ガスを反
応点に供給するための通路を作るものである。従って、
水との接触角が90°より大きい物が好ましく、特に含
フッ素化合物が好ましい。具体的な例としては、ポリエ
チレン、ポリスチレン、ポリプロピレン、ポリテトラフ
ルオロエチレン、ポリトリフルオロエチレン、ポリクロ
ロトリフルオロエチレン、テトラフルオロエチレン−パ
−フルオロアルキルビニルエーテル共重合体などがあ
る。
The water-repellent agent removes the water generated by the electrode reaction or the water that humidifies the reaction gas, and forms a passage for supplying the reaction gas to the reaction point. Therefore,
Those having a contact angle with water of more than 90 ° are preferable, and fluorine-containing compounds are particularly preferable. Specific examples include polyethylene, polystyrene, polypropylene, polytetrafluoroethylene, polytrifluoroethylene, polychlorotrifluoroethylene, and tetrafluoroethylene-perfluoroalkylvinylether copolymer.

【0017】また結着材を共存させてもよい。結着材は
電極触媒層の構成物質を保持するものであり、各種脂指
が用いられる。前記撥水剤と兼用で用いることもでき
る。テフロン系化合物で融点が400℃以下の物が好ま
しく、例えばポリテトラフルオロエチレン、テトラフル
オロエチレン−パ−フルオロアルキルビニルエーテル共
重合体、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロ
ピレン共重合体などがある。
A binder may coexist. The binder holds the constituent substances of the electrode catalyst layer, and various kinds of finger are used. It can be used also as the water repellent. A Teflon-based compound having a melting point of 400 ° C. or lower is preferable, and examples thereof include polytetrafluoroethylene, tetrafluoroethylene-perfluoroalkylvinyl ether copolymer, and tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer.

【0018】触媒層内で、触媒を担持している導電材と
撥水剤とプロトン導伝材の三者の混合における重量分率
は、導電材が0.400〜0.995、撥水剤が0.0
00〜0.550、プロトン導伝材が0.005〜0.
080である。このときの導電材の重量分率は担持され
た触媒を除いて算出したものである。触媒を担持してい
る炭素材料としてカーボン材、撥水剤としてのポリテト
ラフルオロエチレン、プロトン導伝材としてのパーフル
オロカーボンスルホン酸、Aciplex(旭化成工業
製 登録商標)からなる組成における本発明の領域を図
8に示した。プロトン導伝材は触媒層内の反応点を増加
させるのに不可欠であり、従ってその重量分率が0.0
05より少ないと反応点増加効果が少なくなって性能の
向上に寄与しなくなる。一方、プロトン導伝材の重量分
率が0.080より多くなると、その親水性の影響が大
きくなり、加湿水分または生成水がスムーズにセル系外
に除去できなくなり、これにより反応ガスが反応点に供
給されなくなるため出力性能の低下が著しくなる。触媒
を担持している炭素材料は、電子導電性が重要な役割で
ある。従って、その重量分率が0.400より少なくな
ると出力性能の低下が著しいのは、炭素材料同志の接触
点が少なくなり導電性が低下するためと推定される。撥
水剤として用いたポリテトラフルオロエチレンは、加湿
水分及び生成水分の除去作用があるが、重量分率が0.
550より多くなると、炭素材料の導電性を低下させる
ためか、出力性能の低下をまねくことが明らかになっ
た。
In the catalyst layer, the conductive material carrying the catalyst, the water repellent, and the proton conductive material are mixed in a weight fraction of 0.400 to 0.995 for the conductive material and the water repellent for the mixture. Is 0.0
00 to 0.550, and the proton conductive material is 0.005 to 0.
It is 080. The weight fraction of the conductive material at this time is calculated excluding the supported catalyst. The area of the present invention in the composition comprising a carbon material as a carbon material supporting a catalyst, polytetrafluoroethylene as a water repellent, perfluorocarbon sulfonic acid as a proton conductive material, and Aciplex (registered trademark of Asahi Kasei Kogyo) It is shown in FIG. The proton conducting material is indispensable for increasing the number of reaction points in the catalyst layer, and therefore its weight fraction is 0.0
If it is less than 05, the effect of increasing the number of reaction points is reduced and it does not contribute to the improvement of performance. On the other hand, when the weight fraction of the proton conducting material is more than 0.080, the influence of its hydrophilicity becomes large, and the humidified water or generated water cannot be smoothly removed outside the cell system, which causes the reaction gas to react. The output performance is significantly reduced because it is no longer supplied to the. The electronic conductivity of the carbon material supporting the catalyst plays an important role. Therefore, when the weight fraction is less than 0.400, the output performance is remarkably reduced, presumably because the contact points between the carbon materials are reduced and the conductivity is reduced. Polytetrafluoroethylene used as a water repellent has an action of removing humidified water and generated water, but has a weight fraction of 0.
It has been clarified that when it is more than 550, the output performance is deteriorated probably because the conductivity of the carbon material is decreased.

【0019】次に本発明の燃料電池の作製方法について
説明する。所定量の水と、触媒担持担持導電材としての
触媒担持炭素材料、プロトン導伝材、撥水剤を混合し均
一分散状態とする。これを必要な形状に成形したり、直
接電解質膜に塗布したりして触媒層を形成する。触媒を
担持していない導電材を同時に加えてもよい。また、均
一混合物を乾燥し、溶剤を加えてペースト状として成形
してもよい。
Next, a method for producing the fuel cell of the present invention will be described. A predetermined amount of water, a catalyst-carrying carbon material as a catalyst-carrying and carrying conductive material, a proton conducting material, and a water repellent are mixed to obtain a uniformly dispersed state. The catalyst layer is formed by molding this into a required shape or directly applying it to the electrolyte membrane. A conductive material not supporting a catalyst may be added at the same time. Alternatively, the homogeneous mixture may be dried and a solvent may be added to form a paste.

【0020】親水性官能基を有するプロトン導伝材は一
連の混合操作中に、より親水性である触媒担持炭素材料
の周囲に集まり、触媒担持炭素材料自体も集合した状態
となり、一方、より疎水性である撥水剤が集まると推定
される。これによりミクロに親水性部分と疎水性部分が
分離した状態が作られ、親水性部分は主にプロトン及び
加湿用水、生成水が、また疎水性部分は主に反応ガスが
移動する有効な通路となる。このように、粉体状態で触
媒層の構成材を全て混合することにより、従来の知見に
ない効果が発現される。
During a series of mixing operations, the proton conductive material having a hydrophilic functional group gathers around the more hydrophilic catalyst-carrying carbon material, and the catalyst-carrying carbon material itself also gathers. On the other hand, it becomes more hydrophobic. It is presumed that water-repellent agents that are water-soluble will collect. This creates a state in which the hydrophilic part and the hydrophobic part are microscopically separated, and the hydrophilic part is an effective passageway for mainly protons and humidifying water and generated water, and the hydrophobic part is mainly for the passage of reaction gas. Become. As described above, by mixing all the constituent materials of the catalyst layer in the powder state, an effect which is not found in the conventional knowledge is exhibited.

【0021】本発明において、プロトン導伝材は触媒層
の厚さ方向を含む全領域に存在している。これは触媒層
の表面側だけでなく、全領域に均一に分布していること
を示すもので、均一とは、次の測定方法において、プロ
トン導伝材量の平均値の±15%以内に入るものであ
る。プロトン導伝材の存在量は官能基にBaを吸着さ
せ、そのBaを電子線プロ−ブアナリシス法により測定
する。まず、電極触媒層を0.1mol/リットル濃度
の塩化バリウム水溶液中に10時間室温で保存し、その
後過剰の純水にて液更新しながら洗浄する。乾燥するこ
とによりプロトン導伝材の官能基にバリウムが吸着した
触媒層が得られる。これをエポキシ樹脂に包埋し、ミク
ロトームを用いて触媒層断面を切削し測定面を得る。こ
の試量にカーボン蒸着を施し、測定試料とする。電子線
プローブマイクロアナライザー JCXA−733(日
本電子株式会社製)を用い、加速電圧15kV,試料電
流0.5μA、分析線Ba Lα線、分光結晶ペンタエ
リスリトールの条件にて測定を行った。
In the present invention, the proton conductive material is present in the entire area including the thickness direction of the catalyst layer. This means that the catalyst layer is uniformly distributed not only on the surface side of the catalyst layer but also in the entire region. In the following measurement method, uniformity means within ± 15% of the average value of the proton conducting material amount. It comes in. The amount of the proton conducting material is determined by adsorbing Ba on the functional group and measuring the Ba by an electron beam probe-analysis method. First, the electrode catalyst layer is stored in a 0.1 mol / liter barium chloride aqueous solution at room temperature for 10 hours, and then washed with excess pure water while renewing the liquid. By drying, a catalyst layer having barium adsorbed on the functional groups of the proton conducting material can be obtained. This is embedded in an epoxy resin and the cross section of the catalyst layer is cut using a microtome to obtain a measurement surface. Carbon vapor deposition is applied to this sample amount to obtain a measurement sample. Using an electron probe microanalyzer JCXA-733 (manufactured by JEOL Ltd.), measurement was carried out under the conditions of an accelerating voltage of 15 kV, a sample current of 0.5 μA, an analytical line Ba Lα line, and a spectroscopic crystal pentaerythritol.

【0022】後述の実施例2と比較例1の触媒層の測定
結果を例として図9に示した。実施例2の触媒層の厚さ
は約120μmである。最大カウント数が330cp
s、最小カウント数が280cpsで平均カウント数3
05cpsであった。一方、比較例1の触媒層の厚さは
約200μmであり、主に表面にプロトン導伝材が存在
していることがわかる。
The measurement results of the catalyst layers of Example 2 and Comparative Example 1 described later are shown in FIG. 9 as an example. The thickness of the catalyst layer of Example 2 is about 120 μm. Maximum count is 330 cp
s, the minimum count is 280 cps, and the average count is 3
It was 05 cps. On the other hand, the thickness of the catalyst layer in Comparative Example 1 was about 200 μm, and it can be seen that the proton conducting material is mainly present on the surface.

【0023】ガス拡散電極はこの触媒層を必須要素と
し、例えば他の導電材等との積層体としてもよい。例え
ば好ましくは、カーボンファイバーを用いたクロスの複
合物として用いてもよい。膜とガス拡散電極の接合は加
温、加圧できる装置を用いて実施される。特定の装置は
なく、一般的に例えばホットプレス機、ロールプレス機
等が用いられる。プレス温度は使用した電解質膜のガラ
ス転位温度以上であればよく、好ましくは120〜18
0℃である。プレス圧力は使用するガス拡散電極の固さ
に依存し、約5〜200kg/cm2 であり、好ましく
は20〜100kg/cm2 である。5kg/cm2
り小さい圧力では膜と電極の接着は不十分になり、一方
200kg/cm2 より大きい圧力では電極空孔の減少
が大きくなる。
The gas diffusion electrode has this catalyst layer as an essential element, and may be a laminate with, for example, another conductive material. For example, preferably, it may be used as a composite of cloth using carbon fibers. Bonding of the membrane and the gas diffusion electrode is performed using a device capable of heating and pressurizing. There is no specific device, and for example, a hot press machine, a roll press machine or the like is generally used. The pressing temperature may be the glass transition temperature of the used electrolyte membrane or higher, and preferably 120 to 18
It is 0 ° C. The pressing pressure depends on the hardness of the gas diffusion electrode used and is about 5 to 200 kg / cm 2 , preferably 20 to 100 kg / cm 2 . At pressures lower than 5 kg / cm 2, the adhesion between the membrane and the electrode becomes insufficient, while at pressures higher than 200 kg / cm 2 , the reduction of electrode vacancies becomes large.

【0024】ホットプレス時に電極の厚さより薄いスペ
ーサーを入れると効果が大きい。また、水の共存下で電
解質膜を湿潤させた状態でホットプレスするのもよい。
必要であれば接合時に新たに触媒層の片面あるいはイオ
ン交換膜の面あるいは両者にプロトン導伝材を塗布して
から、塗布した面で接合してもよい。これにより、膜と
電極の間の接触がより良好になるためか燃料電池性能が
向上する。
It is effective to insert a spacer thinner than the thickness of the electrode during hot pressing. Further, hot pressing may be performed while the electrolyte membrane is wet in the coexistence of water.
If necessary, a proton conducting material may be newly applied on one surface of the catalyst layer or the surface of the ion exchange membrane or both at the time of bonding, and then bonding may be performed on the applied surface. This improves fuel cell performance, perhaps due to better contact between the membrane and the electrodes.

【0025】反応ガスとしては、メタノール、天然ガ
ス、ナフサ等を解質した水素主体のガスあるいは水素そ
のものを燃料として、また、空気あるいは酸素そのもの
を酸化剤として用いる。両ガスは必要に応じて、水の添
加や水中へのガスの吹き込み等の方法を用いて加湿して
やる。以下、実施例に基づいて、更に詳細に説明する
が、本発明は実施例に限定されるものではない。
As the reaction gas, hydrogen-based gas obtained by decomposing methanol, natural gas, naphtha or the like or hydrogen itself is used as a fuel, and air or oxygen itself is used as an oxidant. Both gases are humidified by adding water or blowing gas into water, if necessary. Hereinafter, the present invention will be described in more detail based on examples, but the present invention is not limited to the examples.

【0026】[0026]

【実施例】【Example】

【0027】[0027]

【実施例1】東海ブラック#5500〔東海カーボン
(株)製 商標〕36gと、塩化白金酸〔和光純薬
(株)製 特級〕とエタノール〔和光純薬(株)製 特
級〕から調整した10重量%溶液321mlとをよく混
合し、その後乾燥した。この混合粉末を水素雰囲気下、
150℃にて処理した。重量測定より、東海ブラック1
g当たり336mgの白金が担持された。
Example 1 Tokai Black # 5500 (trademark manufactured by Tokai Carbon Co., Ltd.) 36 g, chloroplatinic acid [special grade manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.] and ethanol [special grade manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.] 10 321 ml of the wt% solution was mixed well and then dried. This mixed powder under a hydrogen atmosphere,
It was processed at 150 ° C. From the weight measurement, Tokai Black 1
336 mg of platinum was supported per gram.

【0028】この白金担持東海ブラック48g、トリト
ンX−100〔和光純薬(株)製商標〕2.5g、蒸留
水700g、ポリフロンD−2〔ダイキン(株)製 登
録商標〕26g、および5重量%のナフィオン溶液〔ア
ルドリッチ社製 商標〕72.6gを加えて30分間攪
拌混合した。各成分の重量分率はカーボン0.651、
撥水剤0.283、プロトン導伝材0.066である。
この混合物を熱風乾燥器中100℃にて乾燥した。得ら
れた粉末をミルにて細粉し、その中から5g秤量した。
窒素雰囲気下でこれにソルベントナフサ〔キシダ化学
(株)製〕32ml加え、混合後、サス304板上にて
成膜した。この膜を減圧乾燥した後、窒素中250℃で
1時間処理した。得られた触媒層の厚さは200μmで
あり、この触媒層から10cm2 を切り出し重量を測定
したところ0.222gであった。触媒担持量は4mg
/cm2 であった。この触媒層を電極として用いた。
48 g of this platinum-supported Tokai Black, 2.5 g of Triton X-100 [trademark of Wako Pure Chemical Industries, Ltd.], 700 g of distilled water, 26 g of Polyflon D-2 [registered trademark of Daikin Corporation], and 5 weights % Nafion solution [trademark of Aldrich Co.] 72.6 g was added and mixed with stirring for 30 minutes. The weight fraction of each component is carbon 0.651,
The water repellent is 0.283 and the proton conductive material is 0.066.
The mixture was dried at 100 ° C. in a hot air dryer. The obtained powder was finely divided by a mill and 5 g was weighed from the fine powder.
32 ml of solvent naphtha (manufactured by Kishida Chemical Co., Ltd.) was added to this under a nitrogen atmosphere, and after mixing, a film was formed on a suspension 304 plate. The film was dried under reduced pressure and then treated in nitrogen at 250 ° C. for 1 hour. The thickness of the obtained catalyst layer was 200 μm, and 10 cm 2 was cut out from this catalyst layer and the weight was measured and found to be 0.222 g. Catalyst loading amount is 4 mg
Was / cm 2 . This catalyst layer was used as an electrode.

【0029】この電極2枚と厚み100μmのAcip
lex膜〔旭化成工業(株)製 登録商標〕交換容量
1.00μmとの接合を140℃、90秒間ホットプレ
スにて行い、本発明の燃料電池を作製した。
Two electrodes and an Acip with a thickness of 100 μm
A fuel cell of the present invention was produced by joining a lex membrane [registered trademark of Asahi Kasei Kogyo KK] with an exchange capacity of 1.00 μm by hot pressing at 140 ° C. for 90 seconds.

【0030】[0030]

【比較例1】東海ブラック#5500〔東海カーボン
(株)製 商標〕36g、トリトンX−100〔和光純
薬(株)製 商標〕2.5gを水700gに加え、室温
で30分間攪拌混合した。次にこの混合物にポリフロン
D−2〔ディキン(株)製 商標〕26g添加し30分
間攪拌混合した。この混合物を熱風乾燥器中100℃、
2日間乾燥した。得られた粉末をミルにて細粉し、この
中から5g秤量した。これにソルベントナフサ〔キシダ
化学(株)製〕32ml加え、混合後、サス304板上
にて成膜した。この膜を熱風乾燥器中で250℃、1時
間、更に350℃、5分間焼成した。得られた膜に塩化
白金酸〔和光純薬(株)製 特級〕とエタノール〔和光
純薬(株)製 特級〕から調製した10重量%溶液を含
浸させた後乾燥し、更に水素雰囲気下、150℃にて還
元反応を行った。白金担持量は4mg/cm2 であっ
た。この触媒層から10cm2 を切り出し重量を計った
ところ208gであった。この触媒層に5重量%のナフ
ィオン溶液〔アルドリッチ社製〕を0.24g含浸さ
せ、乾燥して電極を作製した。重量を測定したところ
0.211gであった。この電極を用い実施例1と同じ
くAciplex膜との接合を行った。
Comparative Example 1 Tokai Black # 5500 (trademark manufactured by Tokai Carbon Co., Ltd.) 36 g and Triton X-100 (trademark manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) 2.5 g were added to 700 g of water, and the mixture was stirred and mixed at room temperature for 30 minutes. . Next, 26 g of Polyflon D-2 [trademark of Dickin Co., Ltd.] was added to this mixture, and the mixture was stirred and mixed for 30 minutes. This mixture was heated in a hot air dryer at 100 ° C,
It was dried for 2 days. The obtained powder was pulverized with a mill, and 5 g was weighed from this. To this, 32 ml of solvent naphtha (manufactured by Kishida Chemical Co., Ltd.) was added, and after mixing, a film was formed on a suspension 304 plate. This film was baked in a hot air dryer at 250 ° C. for 1 hour and further at 350 ° C. for 5 minutes. The obtained membrane was impregnated with a 10 wt% solution prepared from chloroplatinic acid [special grade manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.] and ethanol [special grade manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.], followed by drying, and further under a hydrogen atmosphere, The reduction reaction was performed at 150 ° C. The amount of platinum supported was 4 mg / cm 2 . When 10 cm 2 was cut out from this catalyst layer and weighed, it was 208 g. This catalyst layer was impregnated with 0.24 g of a 5% by weight Nafion solution (manufactured by Aldrich) and dried to prepare an electrode. When the weight was measured, it was 0.211 g. Using this electrode, bonding with the Aciplex film was performed as in Example 1.

【0031】このようにして作成した燃料電池を図3に
示した単セル評価装置にてその出力性能を評価した。酸
素ガスと水素ガスを用い、ガス流量はH2 100ml/
min、O2 50ml/min、セル温度55℃、加湿
温度70℃、常圧の条件下で実施した。その結果を図1
に示した。
The output performance of the fuel cell thus produced was evaluated by the single cell evaluation apparatus shown in FIG. Using oxygen gas and hydrogen gas, the gas flow rate is H 2 100 ml /
min, O 2 50 ml / min, cell temperature 55 ° C., humidification temperature 70 ° C., and normal pressure. The result is shown in Figure 1.
It was shown to.

【0032】[0032]

【実施例2】純水2gに白金20重量%担持カーボンブ
ラック(米国E−TEK社製)1.20g、ポリフロン
D−2(ダイキン株式会社製 登録商標)1.11g、
パーフルオロカーボンスルホン酸であるAciplex
(旭化成工業株式会社製 登録商標)交換容量1.19
meg/gの5重量%エタノール/水(50重量対50
重量)溶液2gを加え、マグネチィックスターラー(三
田村理研株式会社製)にて室温2時間攪拌し、均一なぺ
ースト状物を得た。混合構成物の重量分率は、カーボン
0.566、撥水剤であるポリテトラフルオロエチレン
0.377、プロトン導伝材0.057である。
[Example 2] 1.20 g of carbon black supporting 20% by weight of platinum (manufactured by E-TEK, USA) in 2 g of pure water, 1.11 g of Polyflon D-2 (registered trademark of Daikin Co., Ltd.),
Aciplex, a perfluorocarbon sulfonic acid
(Registered trademark of Asahi Kasei Corporation) Exchange capacity 1.19
Meg / g 5 wt% ethanol / water (50 wt.
(Weight) 2 g of the solution was added, and the mixture was stirred with a magnetic stirrer (manufactured by Mitamura Riken Co., Ltd.) for 2 hours at room temperature to obtain a uniform paste. The weight fraction of the mixed constituents is carbon 0.566, water repellent polytetrafluoroethylene 0.377, and proton conductive material 0.057.

【0033】ポリテトラフルオロエチレンシートである
ナフロン(ニチアス株式会社製 登録商標)厚さ0.0
5mmで10cm2 の面積に切り出し、この上面に、前
述のペースト状物を塗布し、100μm厚さに成膜し
た。このペースト状物の成膜2枚で、厚さ50μm交換
容量1.00meg/gのパーフルオロカーボンスルホ
ン酸膜であるAciplexをはさみ、卓上プレス器
(テスター産業株式会社製)を用いて、80kg/cm
2 、140℃にて90秒間プレスした。その後、得られ
た接合体からナフロンを取り除いた。
Naflon (registered trademark manufactured by Nichias Corporation), which is a polytetrafluoroethylene sheet, thickness 0.0
It was cut into an area of 5 cm and 10 cm 2 , and the above-mentioned paste-like material was applied to the upper surface thereof to form a film having a thickness of 100 μm. With two sheets of this paste-like material, sandwiching Aciplex, which is a perfluorocarbon sulfonic acid film having a thickness of 50 μm and an exchange capacity of 1.00 meg / g, and using a tabletop press (manufactured by Tester Sangyo Co., Ltd.), 80 kg / cm
2. Pressed at 140 ° C. for 90 seconds. Then, the Naflon was removed from the obtained joined body.

【0034】[0034]

【実施例3】純水2gに白金20重量%担持カーボンブ
ラック(米国E−TEK社製)1.20g、ポリフロン
D−2(ダイキン株式会社製 登録商標)1.67g、
パーフルオロカーボンスルホン酸であるAciplex
(旭化成工業株式会社製 登録商標)交換容量1.19
meg/gの5重量%エタノール/水(50重量対50
重量)溶液2gを加え、マグネチィックスターラー(三
田村理研株式会社製)にて室温2時間攪拌し、均一なぺ
ースト状物を得た。混合構成物の重量分率は、カーボン
0.476、撥水剤であるポリテトラフルオロエチレン
0.476、プロトン導伝材0.048である。
[Example 3] Platinum 20% by weight supported carbon black (manufactured by E-TEK, USA) 1.20 g, polyflon D-2 (registered trademark manufactured by Daikin Co., Ltd.) 1.67 g, in 2 g of pure water.
Aciplex, a perfluorocarbon sulfonic acid
(Registered trademark of Asahi Kasei Corporation) Exchange capacity 1.19
Meg / g 5 wt% ethanol / water (50 wt.
(Weight) 2 g of the solution was added, and the mixture was stirred with a magnetic stirrer (manufactured by Mitamura Riken Co., Ltd.) for 2 hours at room temperature to obtain a uniform paste. The weight fraction of the mixed constituents is 0.476 of carbon, 0.476 of polytetrafluoroethylene which is a water repellent, and 0.048 of the proton conducting material.

【0035】得られたペースト状物及び交換容量1.0
0meg/gのパーフルオロカーボンスルホン酸膜であ
るAciplex(旭化成工業株式会社製 登録商標)
を用いて、実施例2と同じ手段、条件にて接合体を作製
した。
The pasty material obtained and the exchange capacity of 1.0
Aciplex (registered trademark manufactured by Asahi Kasei Co., Ltd.), which is a perfluorocarbon sulfonic acid film of 0 meg / g
Using, the joined body was produced under the same means and conditions as in Example 2.

【0036】[0036]

【実施例4】純水2gに白金20重量%担持カーボンブ
ラック(米国E−TEK社製)1.20g、ポリフロン
D−2(ダイキン株式会社製 登録商標)0.71g、
パーフルオロカーボンスルホン酸であるAciplex
(旭化成工業株式会社製 登録商標)交換容量1.19
meg/gの5重量%エタノール/水(50重量対50
重量)溶液2gを加え、マグネチィックスターラー(三
田村理研株式会社製)にて室温2時間攪拌し、均一なぺ
ースト状物を得た。混合構成物の重量分率は、カーボン
0.654、撥水剤であるポリテトラフルオロエチレン
0.280、プロトン導伝材0.065である。
Example 4 Platinum 20% by weight supported carbon black (manufactured by E-TEK, USA) 1.20 g, Polyflon D-2 (registered trademark manufactured by Daikin Co., Ltd.) 0.71 g, in 2 g of pure water.
Aciplex, a perfluorocarbon sulfonic acid
(Registered trademark of Asahi Kasei Corporation) Exchange capacity 1.19
Meg / g 5 wt% ethanol / water (50 wt.
(Weight) 2 g of the solution was added, and the mixture was stirred with a magnetic stirrer (manufactured by Mitamura Riken Co., Ltd.) for 2 hours at room temperature to obtain a uniform paste. The weight fraction of the mixed constituents is carbon 0.654, water repellent polytetrafluoroethylene 0.280, and proton conductive material 0.065.

【0037】得られたペースト状物及び交換容量1.0
0meg/gのパーフルオロカーボンスルホン酸膜であ
るAciplex(旭化成工業株式会社製 登録商標)
を用いて、実施例2と同じ手段、条件にて接合体を作製
した。
The paste-like material obtained and the exchange capacity of 1.0
Aciplex (registered trademark manufactured by Asahi Kasei Co., Ltd.), which is a perfluorocarbon sulfonic acid film of 0 meg / g
Using, the joined body was produced under the same means and conditions as in Example 2.

【0038】[0038]

【実施例5】純水2gに白金20重量%担持カーボンブ
ラック(米国E−TEK社製)1.20g、ポリフロン
D−2(ダイキン株式会社製 登録商標)1.11g、
パーフルオロカーボンスルホン酸であるAciplex
(旭化成工業株式会社製 登録商標)交換容量1.19
meg/gの5重量%エタノール/水(50重量対50
重量)溶液1.0gを加え、マグネチィックスターラー
(三田村理研株式会社製)にて室温2時間攪拌し、均一
なぺースト状物を得た。混合構成物の重量分率は、カー
ボン0.583、撥水剤であるポリテトラフルオロエチ
レン0.388、プロトン導伝材0.005である。
[Example 5] Platinum 20% by weight supported carbon black (manufactured by E-TEK, USA) 1.20 g, Polyflon D-2 (registered trademark, manufactured by Daikin Co., Ltd.) 1.11 g, in 2 g of pure water.
Aciplex, a perfluorocarbon sulfonic acid
(Registered trademark of Asahi Kasei Corporation) Exchange capacity 1.19
Meg / g 5 wt% ethanol / water (50 wt.
(Weight) 1.0 g of the solution was added, and the mixture was stirred with a magnetic stirrer (manufactured by Mitamura Riken Co., Ltd.) for 2 hours at room temperature to obtain a uniform paste. The weight ratio of the mixed constituents is carbon 0.583, water repellent polytetrafluoroethylene 0.388, and proton conductive material 0.005.

【0039】得られたペースト状物及び交換容量1.0
0meg/gのパーフルオロカーボンスルホン酸膜であ
るAciplex(旭化成工業株式会社製 登録商標)
を用いて、実施例2と同じ手段、条件にて接合体を作製
した。
Obtained paste-like material and exchange capacity 1.0
Aciplex (registered trademark manufactured by Asahi Kasei Co., Ltd.), which is a perfluorocarbon sulfonic acid film of 0 meg / g
Using, the joined body was produced under the same means and conditions as in Example 2.

【0040】[0040]

【実施例6】純水2gに白金20重量%担持カーボンブ
ラック(米国E−TEK社製)1.20g、パーフルオ
ロカーボンスルホン酸であるAciplex(旭化成工
業株式会社製 登録商標)交換容量1.19meg/g
の5重量%エタノール/水(50重量対50重量)溶液
1.0gを加え、マグネチィックスターラー(三田村理
研株式会社製)にて室温2時間攪拌し、均一なぺースト
状物を得た。混合構成物の重量分率は、カーボン0.9
52、プロトン導伝材0.048である。
Example 6 Platinum 20% by weight supported carbon black (manufactured by E-TEK, USA) 1.20 g, perfluorocarbon sulfonic acid Aciplex (registered trademark, manufactured by Asahi Kasei Co., Ltd.) exchange capacity 1.19 meg / g
1.0 g of a 5% by weight ethanol / water solution (50% by weight to 50% by weight) was added and stirred with a magnetic stirrer (manufactured by Mitamura Riken Co., Ltd.) for 2 hours at room temperature to obtain a uniform paste. The weight fraction of the mixed composition is 0.9
52 and a proton conducting material of 0.048.

【0041】得られたペースト状物及び交換容量1.0
0meg/gのパーフルオロカーボンスルホン酸膜であ
るAciplex(旭化成工業株式会社製 登録商標)
を用いて、実施例2と同じ手段、条件にて接合体を作製
した。
The paste-like material obtained and the exchange capacity of 1.0
Aciplex (registered trademark manufactured by Asahi Kasei Co., Ltd.), which is a perfluorocarbon sulfonic acid film of 0 meg / g
Using, the joined body was produced under the same means and conditions as in Example 2.

【0042】[0042]

【比較例2】純水2gに白金20重量%担持カーボンブ
ラック(米国E−TEK社製)1.20g、ポリフロン
D−2(ダイキン株式会社製 登録商標)1.11g、
パーフルオロカーボンスルホン酸であるAciplex
(旭化成工業株式会社製 登録商標)交換容量1.19
meg/gの5重量%エタノール/水(50重量対50
重量)溶液8.0gを加え、マグネチィックスターラー
(三田村理研株式会社製)にて室温2時間攪拌し、均一
なぺースト状物を得た。混合構成物の重量分率は、カー
ボン0.483、撥水剤であるポリテトラフルオロエチ
レン0.322、プロトン導伝材0.194である。
[Comparative Example 2] 1.20 g of carbon black supporting 20% by weight of platinum (manufactured by E-TEK, USA) in 2 g of pure water, 1.11 g of Polyflon D-2 (registered trademark of Daikin Co., Ltd.),
Aciplex, a perfluorocarbon sulfonic acid
(Registered trademark of Asahi Kasei Corporation) Exchange capacity 1.19
Meg / g 5 wt% ethanol / water (50 wt.
(Weight) 8.0 g of the solution was added, and the mixture was stirred with a magnetic stirrer (manufactured by Mitamura Riken Co., Ltd.) at room temperature for 2 hours to obtain a uniform paste. The weight fraction of the mixed constituents is 0.483 of carbon, 0.322 of polytetrafluoroethylene which is a water repellent, and 0.194 of a proton conducting material.

【0043】得られたペースト状物及び交換容量1.0
0meg/gのパーフルオロカーボンスルホン酸膜であ
るAciplex(旭化成工業株式会社製 登録商標)
を用いて、実施例2と同じ手段、条件にて接合体を作製
した。
The paste-like product obtained and the exchange capacity of 1.0
Aciplex (registered trademark manufactured by Asahi Kasei Co., Ltd.), which is a perfluorocarbon sulfonic acid film of 0 meg / g
Using, the joined body was produced under the same means and conditions as in Example 2.

【0044】[0044]

【比較例3】純水2gに白金20重量%担持カーボンブ
ラック(米国E−TEK社製)1.20g、ポリフロン
D−2(ダイキン株式会社製 登録商標)1.11g、
パーフルオロカーボンスルホン酸であるAciplex
(旭化成工業株式会社製 登録商標)交換容量1.19
meg/gの5重量%エタノール/水(50重量対50
重量)溶液3.06gを加え、マグネチィックスターラ
ー(三田村理研株式会社製)にて室温2時間攪拌し、均
一なぺースト状物を得た。混合構成物の重量分率は、カ
ーボン0.508、撥水剤であるポリテトラフルオロエ
チレン0.339、プロトン導伝材0.153である。
[Comparative Example 3] 1.20 g of carbon black supporting 20% by weight of platinum (manufactured by E-TEK, USA) in 2 g of pure water, 1.11 g of Polyflon D-2 (registered trademark of Daikin Co., Ltd.),
Aciplex, a perfluorocarbon sulfonic acid
(Registered trademark of Asahi Kasei Corporation) Exchange capacity 1.19
Meg / g 5 wt% ethanol / water (50 wt.
(Weight) Solution (3.06 g) was added, and the mixture was stirred with a magnetic stirrer (manufactured by Mitamura Riken Co., Ltd.) at room temperature for 2 hours to obtain a uniform paste. The weight fraction of the mixed constituents is carbon 0.508, water repellent polytetrafluoroethylene 0.339, and proton conductive material 0.153.

【0045】得られたペースト状物及び交換容量1.0
0meg/gのパーフルオロカーボンスルホン酸膜であ
るAciplex(旭化成工業株式会社製 登録商標)
を用いて、実施例2と同じ手段、条件にて接合体を作製
した。
Obtained paste-like material and exchange capacity 1.0
Aciplex (registered trademark manufactured by Asahi Kasei Co., Ltd.), which is a perfluorocarbon sulfonic acid film of 0 meg / g
Using, the joined body was produced under the same means and conditions as in Example 2.

【0046】[0046]

【比較例4】純水2gに白金20重量%担持カーボンブ
ラック(米国E−TEK社製)1.20g、ポリフロン
D−2(ダイキン株式会社製 登録商標)2.0g、パ
ーフルオロカーボンスルホン酸であるAciplex
(旭化成工業株式会社製 登録商標)交換容量1.19
meg/gの5重量%エタノール/水(50重量対50
重量)溶液2.41gを加え、マグネチィックスターラ
ー(三田村理研株式会社製)にて室温2時間攪拌し、均
一なぺースト状物を得た。混合構成物の重量分率は、カ
ーボン0.377、撥水剤であるポリテトラフルオロエ
チレン0.566、プロトン導伝材0.057である。
[Comparative Example 4] Platinum 20% by weight supported carbon black (manufactured by E-TEK, USA) 1.20 g, Polyflon D-2 (registered trademark manufactured by Daikin Corporation) 2.0 g, and perfluorocarbon sulfonic acid in 2 g of pure water. Aciplex
(Registered trademark of Asahi Kasei Corporation) Exchange capacity 1.19
Meg / g 5 wt% ethanol / water (50 wt.
2.41 g of the solution was added, and the mixture was stirred with a magnetic stirrer (manufactured by Mitamura Riken Co., Ltd.) for 2 hours at room temperature to obtain a uniform paste. The weight fraction of the mixed constituents is carbon 0.377, water repellent polytetrafluoroethylene 0.566, and proton conductive material 0.057.

【0047】得られたペースト状物及び交換容量1.0
0meg/gのパーフルオロカーボンスルホン酸膜であ
るAciplex(旭化成工業株式会社製 登録商標)
を用いて、実施例2と同じ手段、条件にて接合体を作製
した。
Obtained paste-like material and exchange capacity 1.0
Aciplex (registered trademark manufactured by Asahi Kasei Co., Ltd.), which is a perfluorocarbon sulfonic acid film of 0 meg / g
Using, the joined body was produced under the same means and conditions as in Example 2.

【0048】[0048]

【比較例5】純水2gに白金20重量%担持カーボンブ
ラック(米国E−TEK社製)1.20g、ポリフロン
D−2(ダイキン株式会社製 登録商標)0.89g、
パーフルオロカーボンスルホン酸であるAciplex
(旭化成工業株式会社製 登録商標)交換容量1.19
meg/gの5重量%エタノール/水(50重量対50
重量)溶液2.41gを加え、マグネチィックスターラ
ー(三田村理研株式会社製)にて室温2時間攪拌し、均
一なぺースト状物を得た。混合構成物の重量分率は、カ
ーボン0.551、撥水剤であるポリテトラフルオロエ
チレン0.367、プロトン導伝材0.083である。
[Comparative Example 5] Platinum 20% by weight supported carbon black (manufactured by E-TEK, USA) 1.20 g, Polyflon D-2 (registered trademark manufactured by Daikin Co., Ltd.) 0.89 g, in 2 g of pure water.
Aciplex, a perfluorocarbon sulfonic acid
(Registered trademark of Asahi Kasei Corporation) Exchange capacity 1.19
Meg / g 5 wt% ethanol / water (50 wt.
2.41 g of the solution was added, and the mixture was stirred with a magnetic stirrer (manufactured by Mitamura Riken Co., Ltd.) for 2 hours at room temperature to obtain a uniform paste. The weight fraction of the mixed constituents was carbon 0.551, water repellent polytetrafluoroethylene 0.367, and proton conductive material 0.083.

【0049】得られたペースト状物及び交換容量1.0
0meg/gのパーフルオロカーボンスルホン酸膜であ
るAciplex(旭化成工業株式会社製 登録商標)
を用いて、実施例2と同じ手段、条件にて接合体を作製
した。上記実施例2〜実施例6で作製した接合体及び比
較例2〜比較例5で作成した接合体を用いて、図3に示
した単セル評価装置にて出力性能を評価した。酸素ガス
と水素ガスを用い、ガス流量はH2 200ml/mi
n、O2 400ml/min、ガス圧力は両ガス共5気
圧、加湿器及びセル温度は95℃である。得られた結果
を図4〜図7に示した。
The paste-like material obtained and the exchange capacity of 1.0
Aciplex (registered trademark manufactured by Asahi Kasei Co., Ltd.), which is a perfluorocarbon sulfonic acid film of 0 meg / g
Using, the joined body was produced under the same means and conditions as in Example 2. The output performance was evaluated by the single cell evaluation apparatus shown in FIG. 3 using the joined bodies produced in the above-mentioned Examples 2 to 6 and the joined bodies produced in Comparative Examples 2 to 5. Using oxygen gas and hydrogen gas, the gas flow rate is H 2 200 ml / mi
n, O 2 400 ml / min, gas pressure is 5 atm for both gases, humidifier and cell temperature are 95 ° C. The obtained results are shown in FIGS.

【0050】[0050]

【発明の効果】本発明の燃料電池では、出力性能が大き
く向上している。
The output performance of the fuel cell of the present invention is greatly improved.

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

【図1】実施例1及び比較例1の評価結果の電流密度対
セル電圧を示すグラフ図である。
FIG. 1 is a graph showing current density vs. cell voltage of evaluation results of Example 1 and Comparative Example 1.

【図2】固体高分子電解質型燃料電池の接合体を示す説
明図である。
FIG. 2 is an explanatory view showing a joined body of a solid polymer electrolyte fuel cell.

【図3】実施例及び比較例で用いた接合体評価装置を示
す説明図である。
FIG. 3 is an explanatory diagram showing a bonded body evaluation apparatus used in Examples and Comparative Examples.

【図4】実施例2及び比較例2の評価結果の電流密度対
セル電圧を示すグラフ図である。
FIG. 4 is a graph showing the current density vs. cell voltage of the evaluation results of Example 2 and Comparative Example 2.

【図5】実施例3及び実施例4の評価結果の電流密度対
セル電圧を示すグラフ図である。
FIG. 5 is a graph showing the current density vs. cell voltage of the evaluation results of Example 3 and Example 4.

【図6】実施例5及び比較例3の評価結果の電流密度対
セル電圧を示すグラフ図である。
FIG. 6 is a graph showing current density vs. cell voltage of evaluation results of Example 5 and Comparative Example 3.

【図7】実施例6、比較例4及び比較例5の評価結果の
電流密度対セル電圧を示すグラフ図である。
FIG. 7 is a graph showing current density vs. cell voltage of evaluation results of Example 6, Comparative Example 4 and Comparative Example 5.

【図8】触媒層の触媒を担持している炭素材料、テトラ
フルオロエチレン、パーフルオロカーボンスルホン酸の
重量分率を示す組成図である。
FIG. 8 is a composition diagram showing weight fractions of a carbon material supporting a catalyst of a catalyst layer, tetrafluoroethylene, and perfluorocarbon sulfonic acid.

【図9】実施例2と比較例1の触媒層の電子プローブマ
イクロアナリシスの結果を示す図である。
9 is a diagram showing the results of electron probe microanalysis of the catalyst layers of Example 2 and Comparative Example 1. FIG.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 酸素極ガス拡散電極 2 水素極ガス拡散電極 3 固体高分子電解質膜 4 燃料電池セル 5 加湿器 6 純水 1 Oxygen Electrode Gas Diffusion Electrode 2 Hydrogen Electrode Gas Diffusion Electrode 3 Solid Polymer Electrolyte Membrane 4 Fuel Cell 5 Humidifier 6 Pure Water

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 電解質であるイオン交換膜と、触媒層を
有するガス拡散電極とを接合した燃料電池において、該
触媒層が少なくとも触媒担持導電材と撥水剤とプロトン
導伝材とを混合し、その後成形することにより該触媒層
の厚さ方向を含む全領域にプロトン導伝材が存在するこ
とを特徴とし、かつ該触媒層内で、触媒を担持している
導電材と撥水剤とプロトン導伝材の三者の重量分率が、
導電材0.400〜0.995,撥水剤0〜0.55
0,プロトン導伝材0.005〜0.080であること
を特徴とする高性能な高分子電解質型燃料電池。
1. A fuel cell in which an ion-exchange membrane, which is an electrolyte, and a gas diffusion electrode having a catalyst layer are joined, and the catalyst layer mixes at least a catalyst-supporting conductive material, a water repellent, and a proton conductive material. The catalyst layer is characterized in that the proton conductive material is present in the entire region including the thickness direction of the catalyst layer by molding, and the conductive material and the water repellent agent carrying the catalyst are formed in the catalyst layer. The weight fraction of the three proton conducting materials is
Conductive material 0.400 to 0.995, water repellent 0 to 0.55
A high-performance polymer electrolyte fuel cell, characterized in that it has a proton conductivity of 0.005 to 0.080.
JP6013550A 1993-02-09 1994-02-07 High performance high polymer electrolyte type fuel cell Withdrawn JPH06295729A (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP6013550A JPH06295729A (en) 1993-02-09 1994-02-07 High performance high polymer electrolyte type fuel cell

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2129793 1993-02-09
JP5-21297 1993-02-09
JP6013550A JPH06295729A (en) 1993-02-09 1994-02-07 High performance high polymer electrolyte type fuel cell

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JPH06295729A true JPH06295729A (en) 1994-10-21

Family

ID=26349369

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP6013550A Withdrawn JPH06295729A (en) 1993-02-09 1994-02-07 High performance high polymer electrolyte type fuel cell

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JPH06295729A (en)

Cited By (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0722034A (en) * 1993-06-30 1995-01-24 Sanyo Electric Co Ltd Manufacture of solid polyelectrolyte fuel cell electrode
WO2002015303A1 (en) * 2000-08-16 2002-02-21 Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. Fuel cell
JP2003151566A (en) * 2001-11-16 2003-05-23 Toyota Central Res & Dev Lab Inc Electrode catalyst layer forming method
JP2004311225A (en) * 2003-04-08 2004-11-04 Sony Corp Catalytic powder, catalytic electrode, and electrochemical device
JP2004335282A (en) * 2003-05-08 2004-11-25 Sony Corp Catalyst, catalyst electrode and manufacturing method of the same, membrane-electrode assembly, and electrochemical device
JP2005044815A (en) * 2004-10-05 2005-02-17 Asahi Glass Co Ltd Manufacturing method of solid polymer electrolyte fuel cell
US7169500B2 (en) 2002-10-26 2007-01-30 Samsung Sdi Co., Ltd. Membrane-electrode assembly of fuel cell, production method of the same, and fuel cell employing the same
JP2007179953A (en) * 2005-12-28 2007-07-12 Equos Research Co Ltd Electrode for fuel cell, and method of manufacturing same
JP2007294401A (en) * 2006-03-31 2007-11-08 Mitsubishi Heavy Ind Ltd Solid polymer electrolyte membrane electrode assembly and its manufacturing method
JP2008192337A (en) * 2007-02-01 2008-08-21 Mitsubishi Heavy Ind Ltd Solid polymer electrolyte membrane-electrode assembly and its manufacturing method
JP2014212017A (en) * 2013-04-18 2014-11-13 トヨタ自動車株式会社 Method for manufacturing fuel cell and catalyst ink

Cited By (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0722034A (en) * 1993-06-30 1995-01-24 Sanyo Electric Co Ltd Manufacture of solid polyelectrolyte fuel cell electrode
WO2002015303A1 (en) * 2000-08-16 2002-02-21 Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. Fuel cell
JP2003151566A (en) * 2001-11-16 2003-05-23 Toyota Central Res & Dev Lab Inc Electrode catalyst layer forming method
US7169500B2 (en) 2002-10-26 2007-01-30 Samsung Sdi Co., Ltd. Membrane-electrode assembly of fuel cell, production method of the same, and fuel cell employing the same
JP2004311225A (en) * 2003-04-08 2004-11-04 Sony Corp Catalytic powder, catalytic electrode, and electrochemical device
JP2004335282A (en) * 2003-05-08 2004-11-25 Sony Corp Catalyst, catalyst electrode and manufacturing method of the same, membrane-electrode assembly, and electrochemical device
JP4501357B2 (en) * 2003-05-08 2010-07-14 ソニー株式会社 Catalyst electrode and method for producing the same, membrane-electrode assembly, and electrochemical device
JP2005044815A (en) * 2004-10-05 2005-02-17 Asahi Glass Co Ltd Manufacturing method of solid polymer electrolyte fuel cell
JP2007179953A (en) * 2005-12-28 2007-07-12 Equos Research Co Ltd Electrode for fuel cell, and method of manufacturing same
JP2007294401A (en) * 2006-03-31 2007-11-08 Mitsubishi Heavy Ind Ltd Solid polymer electrolyte membrane electrode assembly and its manufacturing method
JP2008192337A (en) * 2007-02-01 2008-08-21 Mitsubishi Heavy Ind Ltd Solid polymer electrolyte membrane-electrode assembly and its manufacturing method
JP2014212017A (en) * 2013-04-18 2014-11-13 トヨタ自動車株式会社 Method for manufacturing fuel cell and catalyst ink

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP3897059B2 (en) Liquid composition, process for producing the same, and process for producing membrane electrode assembly for polymer electrolyte fuel cell
US7846614B2 (en) Electrode for solid polymer electrolyte fuel cell
JP4023903B2 (en) Membrane / electrode assembly for polymer electrolyte fuel cells
JP5161097B2 (en) Nanocatalyst for fuel cell
JP5066998B2 (en) Membrane electrode assembly for polymer electrolyte fuel cells
JP4090108B2 (en) Membrane / electrode assembly for polymer electrolyte fuel cells
US20080063922A1 (en) Electro-catalyst composition, fuel cell electrode, and membrane-electrode assembly
JP3714766B2 (en) Electrode and membrane / electrode assembly for polymer electrolyte fuel cell
JP5153130B2 (en) Membrane electrode assembly
JPH1140172A (en) Method for producing film-electrode joined body for fuel cell
JP2007109599A (en) Film electrode assembly for solid polymer fuel cell
JP2023126365A (en) Electrode catalyst layer, membrane electrode assembly, and polymer electrolyte fuel cell
JPH06295729A (en) High performance high polymer electrolyte type fuel cell
US20080145732A1 (en) Proton Exchange Fuel Cell
WO2022124407A1 (en) Electrode catalyst layer, membrane electrode assembly, and solid polymer fuel cell
JP5286651B2 (en) Liquid composition, process for producing the same, and process for producing membrane electrode assembly for polymer electrolyte fuel cell
JP2007031718A5 (en)
JPH11135136A (en) Solid poly electrolyte type fuel cell
US20050147868A1 (en) Fuel cell
JPH06203840A (en) Solid polyelectrolyte fuel cell
JP5132203B2 (en) Fuel cell, membrane-electrode assembly, and membrane-catalyst layer assembly
Uma Highly proton-conducting non-perfluorinated hybrid electrolyte/non-platinum catalyst for H 2/O 2 fuel cells
JP2005108827A (en) Ink for catalyst layer formation and electrode using the same and membrane electrode junction
JP6105215B2 (en) Membrane electrode assembly for polymer electrolyte fuel cell
JP5214600B2 (en) Polymer electrolyte fuel cell

Legal Events

Date Code Title Description
A300 Withdrawal of application because of no request for examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A300

Effective date: 20010508