JPH08106915A - Electrode of solid polymer fuel cell and manufacture of fuel cell - Google Patents

Electrode of solid polymer fuel cell and manufacture of fuel cell

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JPH08106915A
JPH08106915A JP6239796A JP23979694A JPH08106915A JP H08106915 A JPH08106915 A JP H08106915A JP 6239796 A JP6239796 A JP 6239796A JP 23979694 A JP23979694 A JP 23979694A JP H08106915 A JPH08106915 A JP H08106915A
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JP
Japan
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polymer electrolyte
electrode
carbon paper
solid polymer
fuel cell
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JP6239796A
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Japanese (ja)
Inventor
Kiyouichi Urabe
恭一 ト部
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Fuji Electric Co Ltd
Original Assignee
Fuji Electric Co Ltd
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Publication date
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Abstract

PURPOSE: To provide a solid polymer fuel cell with high output by forming the contact part of reaction gas, an electrode catalyst layer, and a solid polymer electrolyte film in three-dimensional structure. CONSTITUTION: A solid polymer electrolyte film 22 and a polytetrafluoroethylene layer 21 are formed in a supporting body made of carbon paper fibers 41 having a three-dimensional network, an electrode catalyst film layer 23A is formed on the solid polymer electrolyte film by chemical plating to obtain three- dimensional structure with high density in an electrode 40. One side of the carbon paper fibers is coated with a solid polymer electrolyte solution, then a solid polymer electrolyte film 32 is integrally bonded thereto with a hot press.

Description

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

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】この発明は、固体高分子型燃料電
池の構成に係り、特に燃料電池の電極の構成に関するも
のである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a structure of a polymer electrolyte fuel cell, and more particularly to a structure of an electrode of a fuel cell.

【0002】[0002]

【従来の技術】燃料電池は、これに使用される電解質の
種類や動作温度により、固体高分子型燃料電池,りん酸
型燃料電池,溶融炭酸塩型燃料電池,固体電解質型燃料
電池などに大別される。固体高分子型燃料電池は、高コ
ストのため特殊用途に限られるが、他の燃料電池方式に
比べて両電極間の差圧制御および電池の加圧化が容易で
あるため高出力密度が得られ、また、酸性の電解質体で
あるため二酸化炭素含有ガスをそのまま使用できる特徴
を有している。さらに低温動作型であるため、電池構成
材料面での制約が少なく、また、常温で短時間にて起動
可能である。
2. Description of the Related Art Fuel cells are classified into solid polymer fuel cells, phosphoric acid fuel cells, molten carbonate fuel cells, solid electrolyte fuel cells, etc., depending on the type of electrolyte used and the operating temperature. Be separated. The polymer electrolyte fuel cell is limited to special applications because of its high cost, but it is easier to control the differential pressure between both electrodes and to pressurize the cell compared to other fuel cell systems, so high output density can be obtained. In addition, since it is an acidic electrolyte, it has a feature that a carbon dioxide-containing gas can be used as it is. Further, since it is a low temperature operation type, there are few restrictions on the material constituting the battery, and it can be started at room temperature in a short time.

【0003】図2に従来の固体高分子型燃料電池単セル
の基本構成の断面図を示す。単電池は、固体高分子電
解質膜7の両面にアノード74aとカソード74bとを
有し、その外両面に電極基材75a,75bを具備して
いる。さらにその外側はガス不透過性のセパレータ76
a,76bとによって狭持されており、このセパレータ
76aは燃料ガス通流路29aを、セパレータ76bは
酸化剤ガス通流路29bを有している。
FIG. 2 shows a sectional view of the basic structure of a conventional polymer electrolyte fuel cell unit cell. The unit cell 8 has an anode 74a and a cathode 74b on both surfaces of the solid polymer electrolyte membrane 7, and electrode base materials 75a and 75b on the outer surfaces thereof. Furthermore, the gas-impermeable separator 76 is provided on the outer side.
The separator 76a has a fuel gas passage 29a, and the separator 76b has an oxidant gas passage 29b.

【0004】このような固体高分子型燃料電池単セル
は、例えば以下のようにして製造される。尚、図3に固
体高分子型燃料電池の従来の電極構成を模式的に示す。
触媒粒子を担持したカーボン23と,ポリテトラフルオ
ロエチレン21のディスパージョン溶液とを分散混合
し、この溶液を多孔質のカーボンペーパーからなる電極
基材31に塗布した後、乾燥,加熱して電極基材31上
に電極触媒層30が積層された電極50を得る。次に電
極触媒層30上に高分子電解質溶液を塗布して固体高分
子電解質被膜22を形成し、この電極触媒層30を形成
した面により固体高分子電解質膜32を挟持してホット
プレスにより加熱圧着して一体化した後、セパレータに
より挟持する。
Such a polymer electrolyte fuel cell unit cell is manufactured, for example, as follows. Incidentally, FIG. 3 schematically shows a conventional electrode structure of a polymer electrolyte fuel cell.
Carbon 23 carrying catalyst particles and a dispersion solution of polytetrafluoroethylene 21 are dispersed and mixed, and the solution is applied to an electrode base material 31 made of porous carbon paper, dried and heated to form an electrode substrate. The electrode 50 in which the electrode catalyst layer 30 is laminated on the material 31 is obtained. Next, a polymer electrolyte solution is applied onto the electrode catalyst layer 30 to form a solid polymer electrolyte coating film 22, and the solid polymer electrolyte membrane 32 is sandwiched between the surfaces on which the electrode catalyst layer 30 is formed and heated by hot pressing. After pressure bonding and integration, it is sandwiched by separators.

【0005】固体高分子電解質膜としては、酸化や熱に
耐性のあるパーフルオロスルフォン酸樹脂膜(例えば米
国のデュポン社製、商品名ナフィオン)が用いられ、こ
の陽イオン交換膜はフッ化炭素系高分子である疎水性の
主鎖と,先端にスルフォン基をもつフッ化炭素からなる
側鎖である親水性の交換基からなり、この交換基はフル
オロカーボンマトリックス中で会合してクラスターを形
成している。この固体高分子電解質膜は、クラスター部
分に飽和に含水させてやることにより常温で20Ω・cm
以下の比抵抗を示し、プロトン導電体およびガスセパレ
ータとして機能する。したがって、反応ガスは予め加湿
してからセルに供給される。
As the solid polymer electrolyte membrane, a perfluorosulfonic acid resin membrane resistant to oxidation and heat (for example, Nafion, trade name, manufactured by DuPont, USA) is used, and this cation exchange membrane is a fluorocarbon-based membrane. It consists of a hydrophobic main chain, which is a polymer, and a hydrophilic exchange group, which is a side chain made of fluorocarbon with a sulfone group at the tip, and these exchange groups associate in the fluorocarbon matrix to form clusters. There is. This solid polymer electrolyte membrane has a cluster portion of 20 Ω · cm at room temperature when saturated with water.
It exhibits the following specific resistance and functions as a proton conductor and a gas separator. Therefore, the reaction gas is humidified in advance and then supplied to the cell.

【0006】電極基材は、多孔質体であり、反応ガス拡
散経路および生成水を還流ガスと供に系外へ除去する経
路構成手段、さらに集電体として機能する。電極触媒層
は、腐食性の強い酸性電解質である固体高分子電解質膜
とホットプレス法によって一体に接合されているため、
触媒は白金などの貴金属に限定され、COは触媒毒にな
る。
The electrode base material is a porous body, and functions as a reaction gas diffusion path and a path forming means for removing generated water to the outside of the system together with the reflux gas, and further functions as a current collector. The electrode catalyst layer is integrally joined with the solid polymer electrolyte membrane, which is an acidic electrolyte with strong corrosivity, by the hot pressing method,
The catalyst is limited to precious metals such as platinum, and CO becomes a catalyst poison.

【0007】セルに供給された燃料ガスおよび酸化剤ガ
スは、それぞれの電極触媒層内の触媒と固体高分子電解
質被膜とで形成された三相界面において、以下の電気化
学反応で消費される。
The fuel gas and the oxidant gas supplied to the cell are consumed by the following electrochemical reaction at the three-phase interface formed by the catalyst in each electrode catalyst layer and the solid polymer electrolyte coating.

【0008】[0008]

【化1】 H2 → 2H+ + 2e- アノード[Chemical formula 1] H 2 → 2H + + 2e - anode

【0009】[0009]

【化2】 (1/2)O2 + 2H+ + 2e- → H2O カソード 上記のように全体反応として水を生成し、またプロトン
は固体高分子電解質膜中を水和の状態で移動するため、
カソードにおいて水が生成する。
(1/2) O 2 + 2H + + 2e → H 2 O cathode As described above, water is produced as a whole reaction, and protons move in the solid polymer electrolyte membrane in a hydrated state. In order to
Water is produced at the cathode.

【0010】また、高出力を可能とする電池特性の向上
を図るためには、電極単位面積に対する三相界面の密度
を高め、反応サイト,すなわち反応ガスと電極触媒層お
よび固体高分子電解質被膜との接触面積を大きくするこ
とが必要であり、反応サイトにおける構造の3次元化が
一般に試みられている。
Further, in order to improve the battery characteristics that enable a high output, the density of the three-phase interface per unit area of the electrode is increased so that the reaction sites, that is, the reaction gas, the electrode catalyst layer and the solid polymer electrolyte coating are It is necessary to increase the contact area of the metal and the three-dimensional structure of the reaction site is generally attempted.

【0011】[0011]

【発明が解決しようとする課題】上記においては、電極
触媒層と固体高分子電解質膜は加熱圧着され三相界面が
形成されるが、この接触部分において、反応ガスに対す
る電極触媒層および固体高分子電解質被膜の構造が完全
に3次元化されておらず、高密度の三相界面の形成は達
成されていないのが現状である。すなわち、反応ガスは
電極触媒層におけるカーボンペーパー近傍部分のみしか
接触できず、反応に寄与できる触媒の量が限られてしま
うことになる。
In the above, the electrode catalyst layer and the solid polymer electrolyte membrane are heated and pressure bonded to form a three-phase interface. At this contact portion, the electrode catalyst layer and the solid polymer for the reaction gas are formed. Under the present circumstances, the structure of the electrolyte coating is not completely three-dimensional, and the formation of a high-density three-phase interface has not been achieved. That is, the reaction gas can contact only the portion near the carbon paper in the electrode catalyst layer, and the amount of the catalyst that can contribute to the reaction is limited.

【0012】この発明は、反応ガス,電極触媒層および
固体高分子電解質被膜との接触部分を3次元化し、高出
力を可能とする固体高分子形燃料電池を提供することを
目的とする。
It is an object of the present invention to provide a polymer electrolyte fuel cell capable of achieving high output by three-dimensionally contacting the reaction gas, the electrode catalyst layer and the polymer electrolyte membrane.

【0013】[0013]

【課題を解決するための手段】上記目的は、まず、燃料
ガス及び酸化剤ガスの供給を受けて直流電力を発生する
セルが、固体高分子電解質体と、該電解質体を挟んでそ
れぞれ配設された燃料電極(アノード)と酸化剤電極
(カソード)とを有し、前記セルがセパレータを介して
複数積層され、単電池集積体(スタック)を構成する固
体高分子型燃料電池の電極において、前記電極は、3次
元の網目構造を有するカーボンペーパー繊維からなる支
持体と、該支持体のカーボンペーパー繊維表面に形成さ
れてなる固体高分子電解質被膜およびポリテトラフルオ
ロエチレン層と、前記固体高分子電解質被膜表面に形成
された電極触媒層とから構成されてなることにより達成
される。
In order to achieve the above object, first of all, a cell which receives a supply of a fuel gas and an oxidant gas to generate a direct current power is provided with a solid polymer electrolyte body and a cell sandwiching the electrolyte body. A fuel cell (anode) and an oxidizer electrode (cathode), and a plurality of the cells are laminated with a separator interposed therebetween to form a unit cell integrated body (stack) of a polymer electrolyte fuel cell. The electrode comprises a support made of carbon paper fibers having a three-dimensional network structure, a solid polymer electrolyte coating and a polytetrafluoroethylene layer formed on the surface of the carbon paper fibers of the support, and the solid polymer. This is achieved by comprising an electrode catalyst layer formed on the surface of the electrolyte coating.

【0014】また、上記固体高分子型燃料電池の電極に
おいて、固体高分子電解質被膜表面に形成された電極触
媒層は、その厚さが3μmから10μmの範囲内にある
ことにより達成される。さらに、燃料ガス及び酸化剤ガ
スの供給を受けて直流電力を発生するセルが、固体高分
子電解質体と、該電解質体を挟んでそれぞれ配設された
燃料電極(アノード)と酸化剤電極(カソード)とを有
し、前記セルがセパレータを介して複数積層され、単電
池集積体(スタック)を構成する固体高分子型燃料電池
の製造方法において、第1工程と,第2工程と,第3工
程と,第4工程と,第5工程とを有し、第1工程は、カ
ーボンペーパー繊維を高分子電解質のアルコール溶液お
よびポリテトラフルオロエチレンのディスパージョン溶
液の混合溶液に浸漬し、第2工程は、前記カーボンペー
パー繊維を乾燥して、固体高分子電解質被膜と,粒子状
のポリテトラフルオロエチレン層を形成し、第3工程
は、前記カーボンペーパー繊維に化学メッキにより電極
触媒層を形成し、第4工程は、前記カーボンペーパー繊
維表面の片面に含高分子電解質溶液を塗布し、第5工程
は、2つの前記カーボンペーパー繊維の高分子電解質溶
液を塗布した片面と固体高分子電解質膜とをそれぞれホ
ットプレスにて密着一体化することにより達成される。
Further, in the above electrode of the solid polymer electrolyte fuel cell, the electrode catalyst layer formed on the surface of the solid polymer electrolyte coating is achieved when the thickness thereof is within the range of 3 μm to 10 μm. Furthermore, a cell that receives the supply of the fuel gas and the oxidant gas to generate direct current power is a solid polymer electrolyte body, and a fuel electrode (anode) and an oxidant electrode (cathode) that are respectively disposed with the electrolyte body interposed therebetween. ) And a plurality of the cells are laminated via a separator to form a unit cell integrated body (stack) in a method for producing a polymer electrolyte fuel cell, the first step, the second step, and the third step. The first step includes immersing the carbon paper fiber in a mixed solution of an alcohol solution of a polyelectrolyte and a dispersion solution of polytetrafluoroethylene, and a second step. Dry the carbon paper fiber to form a solid polymer electrolyte coating and a particulate polytetrafluoroethylene layer. The third step is chemical plating of the carbon paper fiber. An electrode catalyst layer is formed from the carbon paper fiber, the fourth step is to apply the polyelectrolyte containing solution to one surface of the carbon paper fiber surface, and the fifth step is to apply the two polyelectrolyte solution of the carbon paper fiber to one surface. And the solid polymer electrolyte membrane are adhered and integrated by hot pressing.

【0015】また、第1工程と,第2工程と,第3工程
と,第4工程と,第5工程と,第6工程と,第7工程と
を有し、第1工程は、カーボンペーパー繊維をポリテト
ラフルオロエチレンのディスパージョン溶液に浸漬し、
第2工程は、前記カーボンペーパー繊維を乾燥した後加
熱して、部分的にフィブリル化されたポリテトラフルオ
ロエチレン層を形成し、第3工程は、前記カーボンペー
パー繊維を高分子電解質のアルコール溶液に浸漬し、第
4工程は、前記カーボンペーパー繊維を乾燥し、固体高
分子電解質被膜を形成し、第5工程は、前記カーボンペ
ーパー繊維に化学メッキにより電極触媒層を形成し、第
6工程は、前記カーボンペーパー繊維表面の片面に含高
分子電解質溶液を塗布し、第7工程は、2つの前記カー
ボンペーパー繊維の高分子電解質溶液を塗布した片面と
固体高分子電解質膜とをそれぞれホットプレスにて密着
一体化することにより達成される。
Further, it has a first step, a second step, a third step, a fourth step, a fifth step, a sixth step and a seventh step, the first step being carbon paper. Immerse the fiber in a dispersion solution of polytetrafluoroethylene,
In the second step, the carbon paper fibers are dried and then heated to form a partially fibrillated polytetrafluoroethylene layer. In the third step, the carbon paper fibers are converted into a polyelectrolyte alcohol solution. Immersion, the fourth step is to dry the carbon paper fiber to form a solid polymer electrolyte coating, the fifth step is to form an electrode catalyst layer on the carbon paper fiber by chemical plating, the sixth step is The surface of the carbon paper fibers is coated with a polyelectrolyte-containing solution on one side, and the seventh step is to hot-press the one side of the carbon paper fibers coated with the polyelectrolyte solution and the solid polymer electrolyte membrane respectively. It is achieved by close contact and integration.

【0016】[0016]

【作用】反応ガスはカーボンペーパー繊維内の空隙を自
由に通流するため、電極における反応ガス,電極触媒層
および固体高分子電解質被膜の接触面積が大きくなる。
これにより、高密度の三相界面を得ることが可能とな
り、固体高分子電解質型燃料電池において高出力が可能
となる。
Since the reaction gas freely flows through the voids in the carbon paper fiber, the contact area between the reaction gas, the electrode catalyst layer and the solid polymer electrolyte coating at the electrode becomes large.
As a result, a high-density three-phase interface can be obtained, and high output can be achieved in the solid polymer electrolyte fuel cell.

【0017】[0017]

【実施例】以下、この発明の実施例を図面を参照して説
明する。 実施例1;図1は、本発明の実施例の一つであり、固体
高分子型燃料電池における電極の構成を模式的に示した
ものである。尚、図3に示した模式図と同一部分には同
じ符号を付す。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. Example 1 FIG. 1 is one of the examples of the present invention, and schematically shows the structure of electrodes in a polymer electrolyte fuel cell. The same parts as those in the schematic diagram shown in FIG. 3 are designated by the same reference numerals.

【0018】図1において、3次元の編目構造を成すカ
ーボンペーパー繊維41を支持体として、該表面に高分
子電解質被膜22と,ポリテトラフルオロエチレン層2
1とが形成されており、さらに当該表面上に電極触媒被
膜層23Aが形成され、電極40が構成されている。さ
らに、電極40上には固体高分子電解質膜32が配設さ
れている。ここで、反応ガスはカーボンペーパー繊維4
1内の空隙を自由に通流して、三相界面が形成される。
In FIG. 1, a carbon paper fiber 41 having a three-dimensional stitch structure is used as a support, and a polymer electrolyte coating 22 and a polytetrafluoroethylene layer 2 are provided on the surface.
1 and the electrode catalyst coating layer 23A is further formed on the surface to form the electrode 40. Further, a solid polymer electrolyte membrane 32 is arranged on the electrode 40. Here, the reaction gas is carbon paper fiber 4
The three-phase interface is formed by freely flowing through the voids in 1.

【0019】尚、図1においてはカーボンペーパー繊維
41を模式的に示したが、実際はカーボン繊維はランダ
ムに編目3次元構造を成すものである。 実施例2;請求項3に係る本発明の固体高分子型燃料電
池の製造方法の一実施例について説明する。アルコール
希釈したパーフルオロスルフォン酸樹脂(例えば、米国
のデュポン社製、製品名ナフィオン膜)溶液と,ポリテ
トラフルオロエチレンのディスパージョン溶液とを7対
3の体積比にて混合した溶液中に、0.4mmの厚さを
有するカーボンペーパー繊維を浸漬して該溶液成分が十
分に含浸された後、真空乾燥器にて24時間乾燥し、固
体高分子電解質被膜と,ポリテトラフルオロエチレン層
を形成する。
Although the carbon paper fibers 41 are schematically shown in FIG. 1, the carbon fibers actually have a random three-dimensional structure. Example 2; An example of a method for producing a polymer electrolyte fuel cell of the present invention according to claim 3 will be described. A solution of a perfluorosulfonic acid resin diluted with alcohol (for example, a product name Nafion membrane manufactured by DuPont, USA) and a dispersion solution of polytetrafluoroethylene in a volume ratio of 7: 3 was mixed with 0 After soaking the carbon paper fiber having a thickness of 4 mm and sufficiently impregnating the solution component, it is dried in a vacuum dryer for 24 hours to form a solid polymer electrolyte coating and a polytetrafluoroethylene layer. .

【0020】ここで、カーボンペーパー繊維表面および
断面につき走査型電子顕微鏡(SEM)にて観察した結
果、カーボンペーパー繊維上にナフィオン溶液被膜(固
体高分子電解質被膜)および粒子状のポリテトラフルオ
ロエチレン層が7対3の比率で形成していることが認め
られた。次いで、該カーボンペーパー繊維をメッキ浴槽
に1時間浸漬した。浴槽内の溶液としては、80℃に恒
温保存した0.01mol/l の塩化白金酸のアンモニア溶
液を用い、カーボンペーパー繊維表面に形成したナフィ
オン溶液被膜上に白金金属イオンを吸着させる。水素化
ホウ素ナトリウムの30mol%アンモニア溶液を50℃に
保持した浴槽に30分間浸漬し、ナフィオン溶液被膜上
の白金金属イオンを還元して、白金金属層(電極触媒
層)を形成する。
Here, as a result of observing the surface and cross section of the carbon paper fiber with a scanning electron microscope (SEM), a Nafion solution film (solid polymer electrolyte film) and a particulate polytetrafluoroethylene layer were formed on the carbon paper fiber. It was confirmed that the film was formed at a ratio of 7: 3. Then, the carbon paper fiber was immersed in a plating bath for 1 hour. As a solution in the bath, an ammonia solution of 0.01 mol / l chloroplatinic acid thermostated at 80 ° C. is used, and platinum metal ions are adsorbed on the Nafion solution film formed on the surface of the carbon paper fiber. A 30 mol% ammonia solution of sodium borohydride is immersed in a bath kept at 50 ° C. for 30 minutes to reduce platinum metal ions on the Nafion solution coating to form a platinum metal layer (electrode catalyst layer).

【0021】水洗後、カーボンペーパー繊維表面および
断面につきSEMにて観察した結果、ナフィオン溶液被
膜上に厚み5〜10μmの白金金属層の形成が認められ
た。さらに、カーボンペーパー繊維片面にナフィオン溶
液を刷毛で塗布したものを二枚用意し、その片面で純水
を包含させたナフィオン膜(固体高分子電解質膜)を挟
持するように、120℃にて10分間ホットプレスして
密着一体化させる。
After washing with water, the surface and the cross section of the carbon paper fiber were observed by SEM. As a result, it was confirmed that a platinum metal layer having a thickness of 5 to 10 μm was formed on the Nafion solution coating film. Further, prepare two sheets of carbon paper fiber coated with a Nafion solution on one side, and hold the Nafion membrane (solid polymer electrolyte membrane) containing pure water on one side at 120 ° C. for 10 days. Hot press for a minute to adhere and integrate.

【0022】実施例3;請求項4に係る本発明の固体高
分子型燃料電池の製造方法の一実施例について説明す
る。ポリテトラフルオロエチレンのディスパージョン溶
液中にカーボンペーパー繊維を浸漬して該溶液成分が十
分に含浸された後、真空乾燥器にて24時間乾燥し、さ
らに300℃にて10分間加熱して、ポリテトラフルオ
ロエチレン層を形成する。
Embodiment 3; An embodiment of the method for producing a polymer electrolyte fuel cell of the present invention according to claim 4 will be described. After the carbon paper fiber was immersed in a dispersion solution of polytetrafluoroethylene to sufficiently impregnate the solution components, it was dried in a vacuum drier for 24 hours and further heated at 300 ° C. for 10 minutes to obtain a polytetrafluoroethylene dispersion solution. Form a tetrafluoroethylene layer.

【0023】ここで、カーボンペーパー繊維表面および
断面につきSEMにて観察した結果、カーボンペーパー
繊維上にフィブリル状のポリテトラフルオロエチレン層
が形成していることが認められた。さらに、アルコール
希釈したナフィオン溶液内に該カーボンペーパー繊維を
浸漬し、その後乾燥して、ナフィオン溶液被膜を形成す
る。
As a result of observing the surface and the cross section of the carbon paper fiber with an SEM, it was confirmed that a fibrillar polytetrafluoroethylene layer was formed on the carbon paper fiber. Further, the carbon paper fiber is dipped in a Nafion solution diluted with alcohol, and then dried to form a Nafion solution coating film.

【0024】次いで、該カーボンペーパー繊維をメッキ
浴槽に1時間浸漬した。浴槽内の溶液としては、60℃
に恒温保存した0.01mol/l の塩化白金酸のアンモニ
ア溶液を用い、カーボンペーパー繊維表面に形成したナ
フィオン溶液被膜上に白金金属イオンを吸着させる。水
素化ホウ素ナトリウムの25mol%アンモニア溶液を60
℃に保持した浴槽に30分間浸漬し、ナフィオン溶液被
膜上の白金金属イオンを還元して、白金金属層を形成す
る。
Next, the carbon paper fiber was immersed in a plating bath for 1 hour. 60 ℃ as the solution in the bath
Using a 0.01 mol / l ammoniacal solution of chloroplatinic acid stored at constant temperature, platinum metal ions are adsorbed on the Nafion solution coating film formed on the surface of the carbon paper fiber. 60 mol of 25 mol% ammonia solution of sodium borohydride
The platinum metal ion on the Nafion solution coating is reduced by immersing in a bath kept at 0 ° C. for 30 minutes to form a platinum metal layer.

【0025】水洗後、カーボンペーパー繊維表面および
断面につきSEMにて観察した結果、ナフィオン溶液被
膜上に厚み3〜5μmの白金金属層の形成が認められ
た。さらに、カーボンペーパー繊維片面にナフィオン溶
液を刷毛で塗布したものを二枚用意し、その片面で純水
を包含させたナフィオン膜を挟持するように、120℃
にて10分間ホットプレスして密着一体化させる。
After washing with water, the surface and the cross section of the carbon paper fiber were observed by SEM. As a result, it was confirmed that a platinum metal layer having a thickness of 3 to 5 μm was formed on the Nafion solution coating film. Further, prepare two sheets of carbon paper fibers coated with a Nafion solution on one side and brush the Nafion membrane containing pure water on one side at 120 ° C.
At 10 minutes, hot press for 10 minutes to integrate.

【0026】[0026]

【発明の効果】この発明においては、前述のような構成
を採用することにより、反応ガス,電極触媒層および固
体高分子電解質被膜との接触部分は3次元化されるた
め、高密度の三相界面を得ることが可能となり、固体高
分子電解質型燃料電池における高出力が可能となる。
According to the present invention, by adopting the above-described structure, the contact portion with the reaction gas, the electrode catalyst layer and the solid polymer electrolyte coating is three-dimensionalized, so that a high density three-phase The interface can be obtained, and high output in the solid polymer electrolyte fuel cell is possible.

【0027】また、固体高分子電解質被膜は固体高分子
電解質膜と同一のものであり、カーボンペーパー繊維表
面だけでなくその内部にも構成されているため、ホット
プレスによりカーボンペーパー繊維内部に突出した固体
高分子電解質膜の一部と,内部の固体高分子電解質被膜
とが熱圧着され、密着性が向上する。
Since the solid polymer electrolyte membrane is the same as the solid polymer electrolyte membrane and is formed not only on the surface of the carbon paper fiber but also inside thereof, it is projected into the carbon paper fiber by hot pressing. A part of the solid polymer electrolyte membrane and the solid polymer electrolyte coating inside are thermocompression-bonded, and the adhesion is improved.

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

【図1】この発明の実施例になる固体高分子型燃料電池
における電極構成の模式図
FIG. 1 is a schematic diagram of an electrode structure in a polymer electrolyte fuel cell according to an embodiment of the present invention.

【図2】従来の固体高分子型燃料電池の単セルを示す断
面図
FIG. 2 is a sectional view showing a single cell of a conventional polymer electrolyte fuel cell.

【図3】従来の固体高分子型燃料電池における電極構成
の模式図
FIG. 3 is a schematic diagram of an electrode configuration in a conventional polymer electrolyte fuel cell.

【符号の説明】 21 ポリテトラフルオロエチレン層 22 固体高分子電解質被膜 23 触媒粒子担持カーボン 23A 電極触媒層 30 電極触媒層 31 電極基材 32 固体高分子電解質膜 40 電極 50 電極 41 カーボンペーパー繊維 7 固体高分子電解質膜 74 a アノード 74 b カソード 75 a, 75 b 電極基材 29 a 燃料ガス通流路 29 b 酸化剤ガス通流路 76 a, 76 b セパレータ[Explanation of symbols] 21 polytetrafluoroethylene layer 22 solid polymer electrolyte coating 23 catalyst particle supporting carbon 23A electrode catalyst layer 30 electrode catalyst layer 31 electrode substrate 32 solid polymer electrolyte membrane 40 electrode 50 electrode 41 carbon paper fiber 7 solid Polymer electrolyte membrane 74 a Anode 74 b Cathode 75 a, 75 b Electrode substrate 29 a Fuel gas passage 29 b Oxidant gas passage 76 a, 76 b Separator

Claims (4)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】燃料ガス及び酸化剤ガスの供給を受けて直
流電力を発生するセルが、固体高分子電解質体と、該電
解質体を挟んでそれぞれ配設された燃料電極(アノー
ド)と酸化剤電極(カソード)とを有し、前記セルがセ
パレータを介して複数積層され、単電池集積体(スタッ
ク)を構成する固体高分子型燃料電池の電極において、 前記電極は、 3次元の網目構造を有するカーボンペーパー繊維からな
る支持体と、 該支持体のカーボンペーパー繊維表面に形成されてなる
固体高分子電解質被膜およびポリテトラフルオロエチレ
ン層と、 前記固体高分子電解質被膜表面に形成された電極触媒層
とから構成されてなることを特徴とする固体高分子型燃
料電池の電極。
1. A solid polymer electrolyte body, and a fuel electrode (anode) and an oxidizer, each of which is provided with a solid polymer electrolyte body sandwiching the electrolyte body. An electrode of a polymer electrolyte fuel cell having an electrode (cathode), wherein a plurality of the cells are laminated via a separator to form a unit cell integrated body (stack), wherein the electrode has a three-dimensional mesh structure. A support comprising the carbon paper fiber having, a solid polymer electrolyte coating and a polytetrafluoroethylene layer formed on the surface of the carbon paper fiber of the support, and an electrode catalyst layer formed on the surface of the solid polymer electrolyte coating. An electrode for a polymer electrolyte fuel cell, comprising:
【請求項2】請求項1記載の固体高分子型燃料電池の電
極において、固体高分子電解質被膜表面に形成された電
極触媒層は、その厚さが3μmから10μmの範囲内に
あることを特徴とする固体高分子型燃料電池の電極。
2. The electrode of the polymer electrolyte fuel cell according to claim 1, wherein the electrode catalyst layer formed on the surface of the polymer electrolyte membrane has a thickness within a range of 3 μm to 10 μm. An electrode for a polymer electrolyte fuel cell.
【請求項3】燃料ガス及び酸化剤ガスの供給を受けて直
流電力を発生するセルが、固体高分子電解質体と、該電
解質体を挟んでそれぞれ配設された燃料電極(アノー
ド)と酸化剤電極(カソード)とを有し、前記セルがセ
パレータを介して複数積層され、単電池集積体(スタッ
ク)を構成する固体高分子型燃料電池の製造方法であっ
て、 第1工程と,第2工程と,第3工程と,第4工程と,第
5工程とを有し、 第1工程は、カーボンペーパー繊維を高分子電解質のア
ルコール溶液およびポリテトラフルオロエチレンのディ
スパージョン溶液の混合溶液に浸漬し、 第2工程は、前記カーボンペーパー繊維を乾燥して、固
体高分子電解質被膜と,粒子状のポリテトラフルオロエ
チレン層を形成し、 第3工程は、前記カーボンペーパー繊維に化学メッキに
より電極触媒層を形成し、 第4工程は、前記カーボンペーパー繊維表面の片面に含
高分子電解質溶液を塗布し、 第5工程は、2つの前記カーボンペーパー繊維の高分子
電解質溶液を塗布した片面と固体高分子電解質膜とをそ
れぞれホットプレスにて密着一体化するものであること
を特徴とする固体高分子型燃料電池の製造方法。
3. A solid polymer electrolyte body, and a fuel electrode (anode) and an oxidizer, each of which is provided with a solid polymer electrolyte body sandwiching the electrolyte body. A method for producing a polymer electrolyte fuel cell, comprising an electrode (cathode), a plurality of the cells being stacked via a separator to form a unit cell integrated body (stack), comprising: a first step; The method includes a step, a third step, a fourth step, and a fifth step, and the first step is to immerse the carbon paper fiber in a mixed solution of an alcohol solution of a polyelectrolyte and a dispersion solution of polytetrafluoroethylene. Then, in the second step, the carbon paper fiber is dried to form a solid polymer electrolyte coating and a particulate polytetrafluoroethylene layer, and in the third step, the carbon paper fiber is chemically treated. An electrode catalyst layer is formed by plating, a fourth step applies a polyelectrolyte-containing polymer electrolyte solution to one surface of the carbon paper fiber surface, and a fifth step applies two polyelectrolyte solutions of the carbon paper fiber. A method for producing a polymer electrolyte fuel cell, characterized in that one surface and a polymer electrolyte membrane are adhered and integrated by hot pressing.
【請求項4】燃料ガス及び酸化剤ガスの供給を受けて直
流電力を発生するセルが、固体高分子電解質体と、該電
解質体を挟んでそれぞれ配設された燃料電極(アノー
ド)と酸化剤電極(カソード)とを有し、前記セルがセ
パレータを介して複数積層され、単電池集積体(スタッ
ク)を構成する固体高分子型燃料電池の製造方法であっ
て、 第1工程と,第2工程と,第3工程と,第4工程と,第
5工程と,第6工程と,第7工程とを有し、 第1工程は、カーボンペーパー繊維をポリテトラフルオ
ロエチレンのディスパージョン溶液に浸漬し、 第2工程は、前記カーボンペーパー繊維を乾燥した後加
熱して、部分的にフィブリル化されたポリテトラフルオ
ロエチレン層を形成し、 第3工程は、前記カーボンペーパー繊維を高分子電解質
のアルコール溶液に浸漬し、 第4工程は、前記カーボンペーパー繊維を乾燥し、固体
高分子電解質被膜を形成し、 第5工程は、前記カーボンペーパー繊維に化学メッキに
より電極触媒層を形成し、 第6工程は、前記カーボンペーパー繊維表面の片面に含
高分子電解質溶液を塗布し、 第7工程は、2つの前記カーボンペーパー繊維の高分子
電解質溶液を塗布した片面と固体高分子電解質膜とをそ
れぞれホットプレスにて密着一体化するものであること
を特徴とする固体高分子型燃料電池の製造方法。
4. A solid polymer electrolyte body, and a fuel electrode (anode) and an oxidizer, each of which is provided with a solid polymer electrolyte body sandwiching the electrolyte body. A method for producing a polymer electrolyte fuel cell, comprising an electrode (cathode), a plurality of the cells being stacked via a separator to form a unit cell integrated body (stack), comprising: a first step; It has a process, a 3rd process, a 4th process, a 5th process, a 6th process, and a 7th process, and the 1st process immerses carbon paper fiber in the dispersion solution of polytetrafluoroethylene. Then, in the second step, the carbon paper fibers are dried and then heated to form a partially fibrillated polytetrafluoroethylene layer, and in the third step, the carbon paper fibers are mixed with a polymer electrolyte alcohol. In a fourth step, the carbon paper fibers are dried to form a solid polymer electrolyte coating, and in a fifth step, an electrode catalyst layer is formed on the carbon paper fibers by chemical plating. The sixth step is to apply the polyelectrolyte-containing solution on one side of the carbon paper fiber surface, and the seventh step is to apply the two-side polyelectrolyte solution of the carbon paper fiber and the solid polyelectrolyte membrane respectively. A method for producing a polymer electrolyte fuel cell, characterized in that they are adhered and integrated by hot pressing.
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