JPH1092439A - Gas diffusion electrode based on polyether sulfone carbon blend - Google Patents

Gas diffusion electrode based on polyether sulfone carbon blend

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JPH1092439A
JPH1092439A JP9246048A JP24604897A JPH1092439A JP H1092439 A JPH1092439 A JP H1092439A JP 9246048 A JP9246048 A JP 9246048A JP 24604897 A JP24604897 A JP 24604897A JP H1092439 A JPH1092439 A JP H1092439A
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JP
Japan
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carbon
gas diffusion
electrode
diffusion layer
catalyst
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Application number
JP9246048A
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Japanese (ja)
Inventor
Israel Cabasso
イスラエル・カバッソ
Youxin Yuan
ユーシン・ユアン
Xiao Xu
シャオ・スー
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State University of New York SUNY
New York University NYU
Original Assignee
State University of New York SUNY
New York University NYU
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Publication date
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    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/86Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H01M4/8605Porous electrodes
    • 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

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  • Inert Electrodes (AREA)
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  • Electrodes For Compound Or Non-Metal Manufacture (AREA)

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide the gas diffusion electrode to be used for a fuel cell. SOLUTION: This invention is concerned with the electric catalyst gas diffusion electrode for a fuel cell, which includes an anisotropic gas diffusion layer formed out of porous carbon matrix, and a catalyst layer made out of solidified 'ink' suspended matters including catalytic carbon particles and thermal plastic polymer, carbon particles and polyether sulfone are distributed all over the aforesaid porous carbon matrix in such a way that the aforesaid matrix is uniformly porous in the lateral direction against the direction of a gas flow, and that it is also porous with respect to gas asymmetrically against the direction of a gas flow, the porosity rate of the aforesaid gas diffusion layer is gradually lowered toward the end of a gas flow, the thickness of the aforesaid gas diffusion layer is roughly 50μm to 300μm, the surface low in a porosity rate of the gas diffusion layer is covered by the aforesaid catalyst layer, and the catalyst layer is roughly 7μm to 300μm in thickness, and is also provided with metallic catalyst of roughly 0.2mg/cm<2> to 0.5mg/cm<2> .

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、固体高分子電解質
燃料電池に使用するためのガス拡散電極の製造、カーボ
ンおよび白金金属電気触媒とブレンドしたポリエーテル
スルホン(“PESF”)から構成されるガス拡散電極
に関する。
FIELD OF THE INVENTION The present invention relates to the manufacture of gas diffusion electrodes for use in solid polymer electrolyte fuel cells, a gas comprising polyethersulfone ("PESF") blended with carbon and platinum metal electrocatalysts. It relates to a diffusion electrode.

【0002】[0002]

【従来技術】燃料電池は、化学反応のエネルギーの一部
を直接直流電気エネルギーに変換する電気化学装置であ
る。直流電気エネルギーへのエネルギーの直接変換はエ
ネルギーを熱に変換する必要性をなくし、それにより、
電気を発生させる慣用的な方法のカルノ−サイクル効率
の制限を避ける。したがって、カルノ−サイクルの制限
を受けることなく、燃料電池技術が伝統的な発電機(例
えば、内燃機関)の燃料効率よりも2〜3倍高い効率の
可能性を提供する。燃料電池のその他の利点に、静か、
清浄(空気の汚染がない)および可動部の減少もしくは
完全な除去がある。
2. Description of the Related Art A fuel cell is an electrochemical device that directly converts a part of energy of a chemical reaction into DC electric energy. The direct conversion of energy to DC electrical energy eliminates the need to convert energy to heat,
Avoids the limitations of the Carno-cycle efficiency of conventional methods of generating electricity. Thus, without being subjected to Carno-cycle limitations, fuel cell technology offers the potential for efficiency 2-3 times higher than the fuel efficiency of traditional generators (eg, internal combustion engines). Other benefits of fuel cells include quiet,
There is cleaning (no air contamination) and reduced or complete removal of moving parts.

【0003】典型的には、燃料電池は電極と呼ばれる2
個の多孔性電気端子とこれらの電極の間に配置された電
解質とを含有する。典型的な燃料電池の操作において、
還元体ガスはガス拡散電極を透過して触媒層へ行き、そ
こで、還元体ガスは反応して2個のプロトンと2個の電
子を形成する。これらのプロトンは電解質層(elec
trolayer)を介してカソードに移動する。電子
は、電気力を生じる外部抵抗を介してアノードからカソ
ードへ導かれる。酸化体はアノード電極を透過してカソ
ード触媒層において電子と結合する。燃料電池反応体は
それらの電子受容体特性もしくは電子供与特性を基準に
して酸化体と還元体に分類される。酸化体には純粋な酸
素、酸素含有ガス(例えば、空気)およびハロゲン類
(例えば、塩素)等がある。還元体には、水素、一酸化
炭素、天然ガス、メタン、エタン、ホルムアルデヒドお
よびメタノール等がある。
[0003] Typically, fuel cells are referred to as electrodes.
It contains a plurality of porous electrical terminals and an electrolyte disposed between these electrodes. In a typical fuel cell operation,
The reductant gas passes through the gas diffusion electrode to the catalyst layer, where it reacts to form two protons and two electrons. These protons are transferred to the electrolyte layer (elect
transfer to the cathode via a trolley). Electrons are conducted from the anode to the cathode via an external resistor that produces an electric force. The oxidant permeates the anode electrode and combines with the electrons in the cathode catalyst layer. Fuel cell reactants are classified into oxidants and reductants based on their electron acceptor or electron donating properties. Oxidants include pure oxygen, oxygen-containing gases (eg, air) and halogens (eg, chlorine). Reductants include hydrogen, carbon monoxide, natural gas, methane, ethane, formaldehyde and methanol.

【0004】燃料電池の電解質は、回路中のイオンの流
れの通路を与える電極間の電気化学的連絡として作用
し、一方、炭素もしくは金属から製造された電極は電気
通路を与える。更に、電解質は、爆発性混合物の形成が
起こる可能性のあるそれぞれの電極から離れた反応体の
移動を防止する。使用できる電解質は、適切な程度まで
反応体もしくは燃料電池の操作中に形成される反応生成
物と直接反応してはならない。更に、電解質は、燃料電
池の操作中に形成されるイオンの移動を可能にしなけれ
ばならない。使用される電解質の例は、アルカリ金属ヒ
ドロキシド類のような強塩基の水溶液、硫酸および塩酸
のような酸の水溶液、海水のような水溶性塩電解質、溶
融塩電解質ならびにイオン交換高分子膜である。
[0004] The electrolyte of a fuel cell acts as an electrochemical connection between the electrodes that provides a path for the flow of ions in the circuit, while electrodes made of carbon or metal provide an electrical path. In addition, the electrolyte prevents migration of reactants away from the respective electrodes where the formation of an explosive mixture can occur. The electrolytes that can be used should not directly react to an appropriate extent with the reactants or reaction products formed during operation of the fuel cell. In addition, the electrolyte must allow for the transfer of ions formed during operation of the fuel cell. Examples of electrolytes used are aqueous solutions of strong bases such as alkali metal hydroxides, aqueous solutions of acids such as sulfuric acid and hydrochloric acid, water-soluble salt electrolytes such as seawater, molten salt electrolytes and ion exchange polymer membranes. is there.

【0005】燃料電池の一つの型は高分子電解質(PE
M)燃料電池であり、プロトン交換高分子膜を基礎とす
るものである。このPEM燃料電池は、電解質として作
用する「イオン交換膜」である固体高分子膜を含有す
る。イオン交換膜は2個の「ガス拡散」電極(アノード
およびカソード)の間に挟まれ、それぞれの電極は一般
に導電性材料により担持された金属触媒を含有する。こ
れらのガス拡散電極はそれぞれ反応体ガス(還元体ガス
および酸化体ガス)に露出される。電気化学反応は、両
電極の内の一つ、電解質高分子膜および反応体ガス界面
の2つの接合点(三相境界)の各々において起こる。
[0005] One type of fuel cell is a polymer electrolyte (PE).
M) Fuel cells, based on proton exchange polymer membranes. This PEM fuel cell contains a solid polymer membrane that is an "ion exchange membrane" that acts as an electrolyte. The ion exchange membrane is sandwiched between two "gas diffusion" electrodes (anode and cathode), each of which generally contains a metal catalyst supported by a conductive material. Each of these gas diffusion electrodes is exposed to a reactant gas (reductant gas and oxidant gas). The electrochemical reaction occurs at each of two junctions (three-phase boundaries) at one of the electrodes, the electrolyte polymer membrane and the reactant gas interface.

【0006】例えば、酸素が酸化体ガスであり且つ水素
が還元体ガスであるとき、アノードに水素が供給され、
カソードに酸素が供給される。このプロセスにおける全
化学反応は:2H2+O2 → 2H2Oである。電極の
金属触媒部位で起こる電気化学反応は次のとおりであ
る。
For example, when oxygen is an oxidizing gas and hydrogen is a reducing gas, hydrogen is supplied to the anode,
Oxygen is supplied to the cathode. The overall chemical reaction in this process is: 2H 2 + O 2 → 2H 2 O. The electrochemical reaction occurring at the metal catalyst site of the electrode is as follows.

【0007】[0007]

【化1】 燃料電池を操作している間、水素はアノードに浸透し、
金属触媒と相互作用して電子とプロトンを生成する。電
子は導電材料より電子経路および外部回路を経てカソー
ドに導かれ、同時に、プロトンは高分子電解質によりイ
オン経路を経てカソードに移動する。同時に、酸素はカ
ソードの触媒部位に浸透し、そこで、酸素は電子を得て
プロトンと反応し水を得る。結論的に、PEM燃料電池
反応の生成物は水と電気である。PEM燃料電池では、
電流はイオン経路と電子経路とを同時に流れる。PEM
燃料電池の効率は、電流に対してイオンおよび電子抵抗
率の双方を最小にする能力に大きく依存する。
Embedded image During operation of the fuel cell, hydrogen penetrates the anode,
Interacts with the metal catalyst to generate electrons and protons. Electrons are guided from the conductive material to the cathode through an electron path and an external circuit, and at the same time, protons move to the cathode through an ionic path by the polymer electrolyte. At the same time, oxygen penetrates the catalytic site of the cathode, where it gains electrons and reacts with protons to obtain water. Consequently, the products of the PEM fuel cell reaction are water and electricity. In PEM fuel cells,
Current flows simultaneously in the ion path and the electron path. PEM
The efficiency of a fuel cell largely depends on its ability to minimize both ionic and electronic resistivity with respect to current.

【0008】ガス拡散電極は燃料電池において重要な役
割を果す。燃料電池操作中、燃料ガスは燃料電池電極と
相互作用し、電極の触媒部位において不均質反応が起こ
る。これらの反応を受けさせるために、電極触媒は導電
性炭素、電解質および燃料ガスとで接触しなければなら
ない。したがって、電極は次の基準を満足しなければな
らない。すなわち、1)反応部位に対してガスの拡散抵
抗が低いこと;2)電子伝導率が高いこと:3)長期間
の操作の間の機械的強度;4)適切な親水性/疎水性バ
ランス;および5)安定性である。
[0008] Gas diffusion electrodes play an important role in fuel cells. During fuel cell operation, the fuel gas interacts with the fuel cell electrode, causing a heterogeneous reaction at the catalytic site of the electrode. In order to undergo these reactions, the electrocatalyst must be in contact with conductive carbon, electrolyte and fuel gas. Therefore, the electrodes must meet the following criteria: 1) low gas diffusion resistance to the reaction site; 2) high electronic conductivity: 3) mechanical strength during long-term operation; 4) proper hydrophilic / hydrophobic balance; And 5) stability.

【0009】燃料電池用のガス拡散電極はカーボンブラ
ックおよびポリマー担体上に担持させた白金金属から慣
用的に形成される。ポリマーはカーボンブラック粒子の
ためのバインダーとして作用し物理的結合性、すなわ
ち、電極の機械的強度を保証する。炭素は電極の電子抵
抗を可及的に少なくするために使用され、一方、白金は
電気化学反応のための触媒として作用する。
Gas diffusion electrodes for fuel cells are conventionally formed from carbon black and platinum metal supported on a polymer carrier. The polymer acts as a binder for the carbon black particles and ensures physical integrity, ie, the mechanical strength of the electrode. Carbon is used to minimize the electronic resistance of the electrode, while platinum acts as a catalyst for electrochemical reactions.

【0010】燃料電池用の大部分のガス拡散電極はバイ
ンダーとしてポリテトラフルオロエチレン(“PTF
E”)を使用する。このポリマーは熱安定性が高く、化
学分解に対して抵抗性が強い。しかし、PTFEは公知
のいずれの溶媒にも溶解しないため、懸濁液として使用
しなければならない。これは、電極を製作するプロセス
を複雑にする。より具体的には、PTFEをカーボンの
ためのバインダーとして使用するとき、電極の構造、電
極の多孔度および孔寸法を制御するのが困難である。
[0010] Most gas diffusion electrodes for fuel cells use polytetrafluoroethylene ("PTF") as a binder.
E "). This polymer has high thermal stability and is resistant to chemical degradation. However, PTFE does not dissolve in any of the known solvents and must be used as a suspension. This complicates the process of fabricating the electrode, and more specifically, when using PTFE as a binder for carbon, it is difficult to control the structure of the electrode, the porosity and pore size of the electrode. is there.

【0011】燃料電池用のテフロン(登録商標)型のガ
ス拡散電極は、PTFEとカーボンまたはグラフアイト
粉末とを混合し、シート状に圧縮することにより慣用的
に製造されるが、このシートでPTFEはバインダーと
して作用する。このシートを焼結温度、例えば、300
℃〜350℃に熱処理し、ここで、バインダーは部分的
に分解し、ガスが通過しカーボンと相互作用できる多孔
性マトリックスを作り出す。米国特許第4,847,1
73号明細書は、PTFEとその他のポリマー類とを組
み合わせて混合するか、またはPTFEとその他のポリ
マー類の結合剤とを組み合わせて混合することによるカ
ーボンおよびポリマーマトリックスの製造法を記載す
る。米国特許第3,899,354号明細書は、カーボ
ン紙にPTFEおよびカーボンの混合物との懸濁物を電
極マトリックスを形成する薄層が得られるまでスプレー
し、次いで、このマトリックスを上述したような焼結温
度まで加熱することによるカーボンおよびPTFEまた
はその他のポリマーバインダーのマトリックスの別の製
造法を記載する。
A Teflon (registered trademark) type gas diffusion electrode for a fuel cell is conventionally produced by mixing PTFE and carbon or graphite powder and compressing the mixture into a sheet. Acts as a binder. This sheet is heated at a sintering temperature, for example, 300
C. to 350.degree. C., where the binder partially decomposes, creating a porous matrix through which gases can pass and interact with the carbon. US Patent No. 4,847,1
No. 73 describes a process for producing carbon and polymer matrices by combining and mixing PTFE with other polymers or combining PTFE with a binder of other polymers. U.S. Pat. No. 3,899,354 discloses that carbon paper is sprayed with a suspension of a mixture of PTFE and carbon until a thin layer is obtained which forms an electrode matrix, and the matrix is then coated as described above. Another method of making a matrix of carbon and PTFE or other polymeric binder by heating to the sintering temperature is described.

【0012】Proceeding,Int.Powe
r Source Symposium(1990年)
において、CabassoおよびManassenは燃
料電池電極の別の製造法を記載する。ポリマーバインダ
ーおよびカーボンを圧縮またはスプレーをしてマトリッ
クスを形成し、次いで、マトリックスを焼結してガス拡
散層を形成する代わりに、炭素含有白金触媒をポリビニ
リデンフルオライド(PVF2)溶液と混合し、キャス
トし、次いで、ジメチルホルムアミド(PVF2を析出
させる非溶媒)中に浸漬させる。Cabasso等は、
多くのその他の可溶性ポリマーが、使用した燃料電池条
件下、すなわち、200mA/cm2までの低い操作電
流、相対的に低い操作温度(25℃〜35℃)および大
気圧よりも僅かに高い圧力の条件下で抵抗性があること
も記載する。事実、殆どのポリマーは、膜の高い酸性性
質、95℃までの高い操作温度のためおよびマトリック
スを通過する数A/cm2までの電流のため分解する。
[0012] Proceeding, Int. Powe
r Source Symposium (1990)
In, Cabasso and Manassen describe another method of making fuel cell electrodes. Instead of compressing or spraying the polymer binder and carbon to form a matrix and then sintering the matrix to form a gas diffusion layer, a carbon-containing platinum catalyst is mixed with a polyvinylidene fluoride (PVF 2 ) solution. , cast, then, is immersed in dimethylformamide (non-solvent to precipitate the PVF 2). Cabasso and others
Many other soluble polymers are used under the fuel cell conditions used, ie, low operating currents of up to 200 mA / cm 2 , relatively low operating temperatures (25 ° C. to 35 ° C.) and pressures slightly above atmospheric pressure. It also states that it is resistant under the conditions. In fact, most polymers degrade due to the high acidic nature of the membrane, high operating temperatures up to 95 ° C., and currents up to a few A / cm 2 through the matrix.

【0013】Cabasso等は、白金触媒をその中に
含有する電極マトリックスの2種の製造法を報告した。
その1方法では、白金触媒、カーボン、PVF2および
溶媒の混合物を含有する溶液をガラス板上に均質に流延
することにより電極マトリックスを調製する。そうする
ことにより、白金触媒を電極マトリックスじゅうに均一
に広げる。別の方法では、カーボン、白金触媒、ポリマ
ーおよび溶媒の混合物の溶液をガラス板上に流延し、次
いで、グラフアイト布をフイルム混合物の上に注意深く
載せ、その上に白金触媒を含まないカーボンポリマーの
混合物をキャストする。これを水に浸し、そしてこれは
一方にカーボンを他方にカーボンポリマー層を接着した
カーボン触媒ポリマーの三層構造を有する。
Have reported two methods of making an electrode matrix containing a platinum catalyst therein.
In one method, an electrode matrix is prepared by uniformly casting a solution containing a mixture of a platinum catalyst, carbon, PVF 2 and a solvent on a glass plate. By doing so, the platinum catalyst is spread evenly throughout the electrode matrix. In another method, a solution of a mixture of carbon, a platinum catalyst, a polymer and a solvent is cast on a glass plate, and then a graphite cloth is carefully placed on top of the film mixture, on which the carbon polymer without platinum catalyst is placed. Cast mixture. It is immersed in water, and has a three-layer structure of a carbon catalyzed polymer with one layer of carbon adhered to the other.

【0014】過去数十年の殆どの研究は、ガス拡散電極
中のカーボン支持体のためのバインダーとしてPTFE
を使用し(テフロン(登録商標)型電極)、電極中に可
及的に多くの量の触媒を使用することに焦点が当てられ
た。H2/O2燃料電池中のガス拡散電極の成分としての
カーボンとブレンドした白金担持カーボン/電極触媒−
PTFE混合物の機能は周知である。白金担持カーボン
PTFE混合物は、白金ブラック、または白金担持カー
ボンとPTFE粒子の水性コロイドの負電荷疎水性分散
物とを(精密に)混合し、この混合物をカーボン布支持
体上に付着させることにより一般に調製される(Rep
ort No.AFML−TR−77−68)。濡れ防
止処理した薄い多孔性カーボン紙も、米国特許第3,9
12,538号明細書に開示されているように、カーボ
ン布の代わりの支持体として使用してガス拡散電極を製
造される。この電極は、燃料電池操作中の「フラッディ
ング(flooding)」問題を解決する。
Most work in the last few decades has focused on PTFE as a binder for carbon supports in gas diffusion electrodes.
(Teflon-type electrodes) and the focus was on using as much catalyst as possible in the electrodes. Platinum-supported carbon / electrode catalyst carbon blended as a component of a gas diffusion electrode of the H 2 / O 2 fuel cells -
The function of PTFE mixtures is well known. Platinum-loaded carbon PTFE mixtures are generally prepared by (precisely) mixing platinum black or platinum-loaded carbon with a negatively charged hydrophobic dispersion of an aqueous colloid of PTFE particles, and depositing the mixture on a carbon cloth support. Prepared (Rep
ort No. AFML-TR-77-68). Thin porous carbon paper with anti-wetting treatment is also disclosed in US Pat.
As disclosed in U.S. Pat. No. 12,538, a gas diffusion electrode is manufactured using a support instead of carbon cloth. This electrode solves the "flooding" problem during fuel cell operation.

【0015】白金触媒の利用性を上昇させるために、数
種の技術が開発されている。改良した電極構造を使用す
ることによる触媒を10倍減少させる方法が、Los
Alamos National Laborator
y(Gothesfield等、J.Applied
Electrochemistry,第22巻、(19
92年)第1頁)Los Alamos,New Me
xico and Texas A&M Univer
sity,College Station,Texa
s,Prototechからの電極を基礎にして開発さ
れた(米国特許第4,826,742号)。それらの方
法では、0.4mg/cm2Pt含有するProtot
echにより製造された電極を、次いで、Ptでスパッ
タリング蒸着をして、電極の前面上にPt(0.05m
g/cm2)の薄層を形成した。これらの電極とNaf
ion 112膜とで組み立てた燃料電池は反応ガスと
してH2−O2を使用して0.5Vで1A/cm2を示
し、操作50日後でも性能の有意な損失はなかった。G
othesficeld等はPt含有を0.15mg/
cm2まで減少させる方法を記載する。この方法は、P
TFE膜シートに有機溶媒、Pt−CおよびNafio
n溶液から製造したインクを塗布することを含む。
Several techniques have been developed to increase the availability of platinum catalysts. A method of reducing catalyst by a factor of 10 by using an improved electrode structure is disclosed in Los et al.
Alamos National Laboratory
y (Gothesfield et al., J. Applied
Electrochemistry, Vol. 22, (19)
92) 1st page) Los Alamos, New Me
xico and Texas A & M Universal
site, College Station, Texa
s, developed on the basis of electrodes from Prototech (US Pat. No. 4,826,742). In those methods, Protot containing 0.4 mg / cm 2 Pt is used.
The electrode manufactured by ech was then sputter deposited with Pt to provide Pt (0.05 m
g / cm 2 ). These electrodes and Naf
The fuel cell assembled with the ion 112 membrane showed 1 A / cm 2 at 0.5 V using H 2 —O 2 as the reactant gas, and there was no significant loss of performance after 50 days of operation. G
othesfield and the like contain Pt content of 0.15 mg /
A method for reducing to cm 2 is described. This method uses P
Organic solvent, Pt-C and Nafio on TFE membrane sheet
and applying an ink made from the n solution.

【0016】良好な性能のために、燃料電池電極は適当
な形態と触媒の分布を有しなければならない。燃料電池
の電極は、ガス浸透のための自由な移動経路を与えしか
も電極触媒の全表面積にわたってガス浸透を分布させる
多孔性構造が必要である。燃料ガスが電極触媒に対して
いかに効率的に分布されているかは、電極の効率を決定
する本質的なパラメーターである電極中の多孔性に大き
く依存する。
For good performance, the fuel cell electrodes must have a suitable morphology and catalyst distribution. Fuel cell electrodes require a porous structure that provides a free path for gas permeation and that distributes gas permeation over the entire surface area of the electrocatalyst. How efficiently the fuel gas is distributed over the electrocatalyst largely depends on the porosity in the electrode, which is an essential parameter that determines the efficiency of the electrode.

【0017】[0017]

【発明が解決しようとする課題】したがって、本発明の
目的は、燃料電池およびその他の電気化学的用途のため
に好ましい化学的および電気的特性をもつガス拡散電極
を低廉且つ容易に製造することを提供することである。
Accordingly, it is an object of the present invention to provide an inexpensive and easy way to produce gas diffusion electrodes having favorable chemical and electrical properties for fuel cells and other electrochemical applications. To provide.

【0018】本発明の別の目的は、制御された電極構
造、多孔性および孔寸法をもつガス拡散電極を提供する
ことにある。
It is another object of the present invention to provide a gas diffusion electrode having a controlled electrode structure, porosity and pore size.

【0019】本発明の目的は、有機溶媒に溶解するポリ
エチレンスルホンおよび活性炭のブレンドを使用し、そ
れに続いて、このブレンドを転相の方式で低温でブレン
ドに対して非溶媒中で多孔性膜として凝固することによ
る制御された多孔性および孔寸法をもつガス拡散電極を
製造する方法を提供することにある。
It is an object of the present invention to use a blend of polyethylene sulfone and activated carbon that is soluble in an organic solvent and subsequently to form the blend as a porous membrane in a non-solvent at low temperatures in a phase inversion manner. It is an object of the present invention to provide a method for producing a gas diffusion electrode having a controlled porosity and pore size by solidification.

【0020】本発明のさらに別の目的は、ガス拡散層お
よび触媒層を別々に作るガス拡散電極の製造法を提供す
ることにあり、各構造がその機能のために最も適してい
る特性をもてるように構成する。
Yet another object of the present invention is to provide a method of manufacturing a gas diffusion electrode in which a gas diffusion layer and a catalyst layer are separately formed, and each structure has characteristics which are most suitable for its function. It is configured so that

【0021】本発明のなおさらに別の目的は、一段階転
相技術を使用するガス拡散電極の簡易な製造法を提供す
ることである。
Yet another object of the present invention is to provide a simple method of manufacturing a gas diffusion electrode using a one-stage phase change technique.

【0022】[0022]

【課題を解決するための手段】上述したガス拡散電極お
よびその製造のための目的および基準は本発明の実施に
より達成できる。一局面では、本発明は燃料電池のため
の電気触媒ガス拡散電極に関し、この電気触媒ガス拡散
電極は、(a)多孔性カーボンマトリックスから製造さ
れ、当該マトリックスじゅうをカーボン粒子およびポリ
エーテルスルホンが分布される異方性ガス拡散層であ
り、この分布は、マトリックスがガスの流れに対して横
方向に均質に多孔性となっておりしかもガスの流れ方向
に非対称にガスが浸透しうる多孔性であり、ガス拡散層
の多孔率がガスの流れ方向に向かって低下するようにな
っており、当該ガス拡散層の厚さは約50μm〜約30
0μmである、そして、(b)触媒カーボン粒子および
熱可塑性ポリマーを含有する凝固した「インク」懸濁物
から製造された触媒層であり、当該触媒層はガス拡散層
の小多孔率表面を覆い、約7μm〜約50μmの厚さで
あり、そして金属触媒を約0.2mg/cm2〜約0.
5mg/cm2有する、前記(a)および(b)から構
成される。
SUMMARY OF THE INVENTION The objects and criteria for gas diffusion electrodes described above and their manufacture can be achieved by the practice of the present invention. In one aspect, the invention relates to an electrocatalytic gas diffusion electrode for a fuel cell, wherein the electrocatalytic gas diffusion electrode is (a) manufactured from a porous carbon matrix in which carbon particles and polyether sulfone are distributed. The distribution is such that the matrix is homogeneously porous in the transverse direction to the gas flow and is porous so that the gas can permeate asymmetrically in the gas flow direction. The porosity of the gas diffusion layer decreases in the gas flow direction, and the thickness of the gas diffusion layer is about 50 μm to about 30 μm.
0 μm and (b) a catalyst layer made from a solidified “ink” suspension containing catalytic carbon particles and a thermoplastic polymer, said catalyst layer covering the small porosity surface of the gas diffusion layer. , From about 7 μm to about 50 μm thick, and from about 0.2 mg / cm 2 to about 0.2 μm of metal catalyst.
(A) and (b) having 5 mg / cm 2 .

【0023】別の局面では、本発明は燃料電池のために
適したガス拡散電極の製造法に関し、当該方法は、
(a)多孔性カーボンマトリックスから製造される異方
性ガス拡散層を調製する工程、ここで、前記多孔性カー
ボンマトリックスじゅうをカーボン粒子とポリエーテル
スルホンとが、当該マトリックスがガスの流れに対して
横方向に均質に多孔性となっておりしかもガスの流れの
方向に非対称にガスが浸透しうる多孔性であるように分
布されており、前記ガス拡散層の多孔率がガスの流れの
方向に向かって低下しており、当該ガス拡散層は約50
μm〜約300μmの厚さであり、当該拡散層を、1)
ドクターナイフを用いてカーボン支持体上にポリエーテ
ルスルホンおよびカーボン粒子のための溶媒中に溶解し
たポリエーテルスルホンとカーボン粒子とのブレンドを
流延してカーボン支持体上に一層のフイルムを形成し、
ここで、当該ブレンドはカーボン支持体の少なくとも一
部中に浸透し、2)ポリエーテルスルホンおよびカーボ
ン粒子に対して非溶媒である凝固液中でフイルムを凝固
し、そして3)凝固溶媒を除去することにより調製し、
そして b.前記ガス拡散層の小多孔率表面上に、触媒カーボン
粒子と熱可塑性ポリマーとを含有する水性インク懸濁物
から製造される触媒層を塗装する工程であり、前記懸濁
物が0.5〜2%の熱可塑性ポリマーを含み、当該熱可
塑性ポリマーがポリエーテルスルホン、ポリ(ビニリデ
ンフルオライド)およびスルホン化ポリスルホンからな
る群から選択され、前記触媒層が前記ガス拡散層の小多
孔率表面を被覆し、当該触媒層が約7μm〜約50μm
の厚さであり且つ金属触媒を約0.2mg/cm2〜約
0.5mg/cm2を有する。
In another aspect, the invention relates to a method of making a gas diffusion electrode suitable for a fuel cell, the method comprising:
(A) preparing an anisotropic gas diffusion layer produced from a porous carbon matrix, wherein the porous carbon matrix is coated with carbon particles and polyether sulfone, It is homogeneously porous in the lateral direction and is distributed so as to allow gas to penetrate asymmetrically in the direction of gas flow, and the porosity of the gas diffusion layer increases in the direction of gas flow. And the gas diffusion layer is about 50
μm to about 300 μm, and the diffusion layer is
Using a doctor knife, cast a blend of polyethersulfone and carbon particles dissolved in a solvent for the polyethersulfone and carbon particles on the carbon support to form a layer of film on the carbon support,
Here, the blend penetrates at least a portion of the carbon support, 2) coagulates the film in a coagulating liquid that is a non-solvent for the polyethersulfone and carbon particles, and 3) removes the coagulating solvent. Prepared by
And b. A step of coating a catalyst layer produced from an aqueous ink suspension containing catalytic carbon particles and a thermoplastic polymer on the small porosity surface of the gas diffusion layer, wherein the suspension is 0.5 to 2% thermoplastic polymer, wherein the thermoplastic polymer is selected from the group consisting of polyethersulfone, poly (vinylidene fluoride) and sulfonated polysulfone, wherein the catalyst layer covers the small porosity surface of the gas diffusion layer And the catalyst layer is about 7 μm to about 50 μm
And has a metal catalyst of about 0.2 mg / cm 2 to about 0.5 mg / cm 2 .

【0024】ポリマー材料は、燃料電池のガス拡散電極
において同時に多くの機能を果す。このポリマー材料
は、カーボン触媒と共に保持するためのバインダーとし
て作用し電極の結合性(integrity)を付与
し、且つ疎水性を与える。電極中の白金金属(Pt)触
媒は、カーボン、電解質および反応体ガスと同時に互い
に接触する場合最も機能する。Ptの利用性を高くし、
オーム損失を低くしそしてフラッディングをなくするた
めに、電極マトリックスをこれらの条件に順応するよう
に構成しなければならない。この構造は、イオン通路お
よび電子通路が最小のくねりで短く、同時に、濡れおよ
び滲出なく触媒が反応体ガスの最大の露出と利用性を有
するように製造すべきである。白金は高価な触媒なの
で、可及的に高い効率で可及的に少ない量で使用される
べきである。したがって、反応体ガスに隣接する電極の
表面近くにPtが局在することが電極性能に対して最も
有利であることが見いだされた。Baconの二重層モ
デル構造の電極(英国特許第667,298号)が広く
受け入れられている。この二重層モデル構造は、ガス側
に面している側面(side)開口孔の一層および電解
質側に面している他の比較的小さな微細孔をもつ非対称
異方性構造を有する。前者はガスの移動を促進し、後者
は電解質を満たす。したがって、交差(crossov
er)問題をもたらすさらなるガスの拡散を防ぐ。
The polymer material serves many functions simultaneously in the gas diffusion electrode of a fuel cell. The polymer material acts as a binder to hold with the carbon catalyst, imparting electrode integrity and imparting hydrophobicity. The platinum metal (Pt) catalyst in the electrode works best when it comes into contact with carbon, electrolyte and reactant gases simultaneously. Increase the availability of Pt,
To reduce ohmic losses and eliminate flooding, the electrode matrix must be configured to accommodate these conditions. The structure should be manufactured such that the ion and electron paths are short with minimal bends, while the catalyst has maximum exposure and availability of reactant gases without wetting and leaching. Platinum is an expensive catalyst and should be used in the smallest possible amount with the highest possible efficiency. Therefore, it has been found that localization of Pt near the surface of the electrode adjacent to the reactant gas is most advantageous for electrode performance. Bacon's double layer model electrode structure (GB 667,298) is widely accepted. The bilayer model structure has an asymmetric anisotropic structure with one side opening facing the gas side and other relatively small pores facing the electrolyte side. The former facilitates the transfer of gas and the latter fills the electrolyte. Therefore, the crossover (crossov)
er) Prevent further gas diffusion which would cause problems.

【0025】出願人は、廉価な熱可塑性ポリマー、即
ち、ポリエーテルスルホンを、電子マトリックス材料と
して適切なカーボン粒子とのブレンドを形成するために
使用できる。ポリエーテルスルホンは疎水性、高ガラス
転移温度をもつ非晶質ポリマーである。それは酸化的及
び還元的環境に対して抵抗性である。さらに、低いpH
で良好な耐久性および作動能力を有する。ポリエーテル
スルホンは、ガス分離(I.Cabasso、“Enc
yclopedia Polymer Science
and Engineering”、第2版、Joh
n Wily &Sons,Inc.発行、第9巻、第
509頁(1987年))および限外濾過のための種々
の多孔性膜に対して卓越した構成単位を有することが証
明されている。本発明にしたがう適切なポリエーテルス
ルホンの平均分子量は約25,000〜約100,00
0であり、次の反復単位を有するものを含む。
Applicants can use an inexpensive thermoplastic polymer, polyethersulfone, to form a blend with carbon particles suitable as an electronic matrix material. Polyethersulfone is an amorphous polymer having a hydrophobic, high glass transition temperature. It is resistant to oxidizing and reducing environments. In addition, low pH
With good durability and operating capacity. Polyethersulfone is available from Gas Separation (I. Cabasso, "Enc"
Cyclopedia Polymer Science
and Engineering ", 2nd edition, Joh
n Willy & Sons, Inc. Issue 9, pp. 509 (1987)) and have proven to have outstanding building blocks for various porous membranes for ultrafiltration. Suitable polyethersulfones according to the present invention have an average molecular weight of about 25,000 to about 100,000.
0, including those having the following repeating units:

【0026】[0026]

【化2】 本発明では、ポリエーテルスルホンとカーボン粒子とを
約20:80〜約45:65のポリマー対カーボンの重
量比で混合するとき、ポリエーテルスルホンはそれだけ
でブレンド中のカーボンのための卓越したバインダーと
して機能する。結果として、ポリエーテルスルホンは、
バインダーおよびガス拡散電極のためのマトリックス構
成単位として、より高価なPTFEポリマーの代わりに
満足して使用できる。ブレンド中のポリエーテルスルホ
ンポリマーは、高品質な燃料電池用電極を製造するのに
必須の特性をもつ電極構造を与える。
Embedded image In the present invention, when polyether sulfone and carbon particles are mixed at a polymer to carbon weight ratio of about 20:80 to about 45:65, polyether sulfone by itself is an excellent binder for the carbon in the blend. Function. As a result, polyethersulfone
It can be used satisfactorily as a matrix building unit for binders and gas diffusion electrodes instead of the more expensive PTFE polymers. The polyethersulfone polymer in the blend provides an electrode structure with the properties essential for producing high quality fuel cell electrodes.

【0027】本発明のガス拡散電極は二段階法により製
造される。
The gas diffusion electrode of the present invention is manufactured by a two-step method.

【0028】第一段階は転相法を使用して、約50μm
を超える厚さ、好ましくは約75μmを超え、約300
μm未満、好ましくは、約150μm未満の厚さを有す
る本発明の異方性ガス拡散層を作る。転相法は次の工程
を含む。すなわち、1)カーボン支持体またはガラス板
上にドクターナイフを用いてポリエーテルスルホン用の
溶媒中に溶解したポリエーテルスルホンおよびカーボン
粒子のブレンドを流延してカーボン支持体上に一層のフ
イルムを形成し、2)ポリエーテルスルホンのための非
溶媒である凝固液中でフイルムを凝固させ、そして3)
フイルムを乾燥させて凝固液を除去する。
The first step is to use a phase inversion method,
Thickness, preferably greater than about 75 μm and about 300 μm.
An anisotropic gas diffusion layer of the invention is made having a thickness of less than μm, preferably less than about 150 μm. The phase inversion method includes the following steps. That is, 1) a blend of polyethersulfone and carbon particles dissolved in a solvent for polyethersulfone is cast on a carbon support or a glass plate using a doctor knife to form a layer of film on the carbon support. 2) coagulating the film in a coagulating liquid which is a non-solvent for the polyethersulfone; and 3)
The film is dried to remove the coagulating liquid.

【0029】第二段階は、エアブラシを使用してカーボ
ン−ポリマーガス拡散層上に一層の触媒−カーボン−ポ
リマー「インク」を塗布して触媒層を製造することであ
り、当該触媒「インク」は約7μmを超え、約50μm
未満、好ましくは約10μm未満の厚さを有する。イン
ク中におけるカーボン上の金属触媒対ポリマーの重量比
は25:75〜40:60である。本発明の電極は、ガ
ス拡散層中で多孔率が高く、触媒量がより少なく、そし
て触媒利用性がより高い。この電極を組み込んだ燃料電
池の性能は高い。
The second step is to apply a layer of catalyst-carbon-polymer "ink" onto the carbon-polymer gas diffusion layer using an airbrush to produce a catalyst layer, wherein the catalyst "ink" is More than about 7μm, about 50μm
Less than about 10, preferably less than about 10 μm. The weight ratio of metal catalyst on carbon to polymer in the ink is from 25:75 to 40:60. The electrodes of the present invention have higher porosity in the gas diffusion layer, lower catalyst loading, and higher catalyst availability. The performance of a fuel cell incorporating this electrode is high.

【0030】導電性カーボン支持体は、約7μmを超
え、好ましくは、約10μmを超え、約35μm未満、
好ましくは、25μm未満の厚さの繊維性または多孔性
のシートである。適切な導電性カーボン支持体には、カ
ーボン紙、高導電性カーボン布、高導電性カーボンフエ
ルト、カーボンテープ等がある。
The conductive carbon support is greater than about 7 μm, preferably greater than about 10 μm, less than about 35 μm,
Preferably, it is a fibrous or porous sheet having a thickness of less than 25 μm. Suitable conductive carbon supports include carbon paper, highly conductive carbon cloth, highly conductive carbon felt, carbon tape, and the like.

【0031】微粒状のカーボンは、例えば、約50〜約
2000m2/gのB.E.T.法による表面積を有す
るカーボンブラックである。適切な微粒状カーボンには
活性炭またはカーボンブラック、すなわち、非常に微細
に分割した状態のカーボン粉末である。B.E.T.法
により測定すると、本発明に有用な商業的に入手できる
カーボンブラック粉末は約50m2/g〜約2000m2
/gの表面積を有する。このような粉末にはファーネス
ブラック、ランプブラック、アセチレンブラック、チャ
ンネルブラック、およびサーマルブラック等がある。約
200m2/g〜約600m2/gのB.E.T表面積を
有するファーネスブラックが好ましい。これらの活性炭
素材料の粒径は約5ナノメーターから約1000ナノメ
ーター程度までに及ぶことができるが、しかし、平均粒
径約300ナノメーターよりも小さいのが好ましい。
The finely divided carbon is, for example, B.I. of about 50 to about 2000 m 2 / g. E. FIG. T. It is a carbon black having a surface area by the method. Suitable finely divided carbon is activated carbon or carbon black, ie carbon powder in a very finely divided state. B. E. FIG. T. Commercially available carbon black powders useful in the present invention, as measured by the method, are from about 50 m 2 / g to about 2000 m 2
/ G surface area. Such powders include furnace black, lamp black, acetylene black, channel black, and thermal black. About 200m 2 / g~ B. of about 600m 2 / g E. FIG. Furnace black having a T surface area is preferred. The particle size of these activated carbon materials can range from about 5 nanometers to as high as about 1000 nanometers, but preferably is less than about 300 nanometers in average particle size.

【0032】B.E.T法は、表面積を決定するBru
naver−Emmett−Teller法に関する。
B. E. FIG. The T method uses Bru to determine the surface area.
It relates to the naver-Emmett-Teller method.

【0033】「カーボンブラック」という用語は、So
lomonに与えられた米国特許第4,440,167
号の明細書に定義されている通りに使用される。
The term "carbon black" refers to So
U.S. Pat. No. 4,440,167 to Lomon
Used as defined in the issue description.

【0034】約50〜約300m2/gのB.E.T.
表面積を有する商業的に入手できるカーボンブラック
は、所望の場合、蒸気活性化してそれらの表面積を増や
し、それにより、最高約600m2/gまでそのB.
E.T.値を増加させることができる。
From about 50 to about 300 m 2 / g of B.I. E. FIG. T.
Commercially available carbon blacks having surface areas can be steam activated to increase their surface area, if desired, thereby increasing their B.I. up to about 600 m 2 / g.
E. FIG. T. The value can be increased.

【0035】カーボンブラックの表面特性は変動でき
る。これらのカーボンブラックのうちのあるものは、例
えば、表面カルボキシル基(およびその他の種類の酸素
含有基)またはフッ素含有基のような表面官能価を有す
る。物理化学的特性および灰分も変動できる。さらに、
カーボンブラックをグラフアイト化(それによりカーボ
ンブラック粉末はある程度のグラフアイトの構造特性を
獲得する)またはグラフアイト化され次いで表面官能価
を回復または増強のための処理ができる。
The surface characteristics of carbon black can vary. Certain of these carbon blacks have surface functionality, such as, for example, surface carboxyl groups (and other types of oxygen-containing groups) or fluorine-containing groups. Physicochemical properties and ash can also vary. further,
The carbon black can be graphitized (whereby the carbon black powder acquires some of the structural properties of the graphite) or graphitized and then treated to restore or enhance surface functionality.

【0036】商業的に入手できる好適なカーボンブラッ
クには、例えば、BLACK PEARL 2000の
ようなBLACK PEARLS(商標)、VULCA
N(商標、例えば、Vulcan VX−72)、KE
TJEN BLACK EC300J(ニューヨーク
州、Akzo Chemie Americo ofB
urtの商標)、活性炭、アセチレンブラックC−10
0、またはそれらの混合物等がある。入手可能なKET
JEN BLACK材料は、約900〜約1000m2
/gに及ぶB.E.T.表面積を有するオイルファーネ
スブラックであり、そして、特にEC300Jは950
2/gの表面積を有すると思われる。KETJEN
BLACK EC 300Jはメソ相カーボン(mes
ophase carbon)の大部分を含有し、それ
故、長範囲オーダーの領域を有する。これらの領域は、
カーボンにカソード用途に重要であるより大きな腐食抵
抗性にすることができる。
Suitable commercially available carbon blacks include, for example, BLACK PEARLS ™, such as BLACK PEARL 2000, VULCA
N (trademark, for example, Vulcan VX-72), KE
TJEN BLACK EC300J (Akzo Chemie Americo ofB, New York)
urt trademark), activated carbon, acetylene black C-10
0, or a mixture thereof. Available KET
JEN BLACK material is about 900 to about 1000 m 2
B./g. E. FIG. T. Oil furnace black with surface area, and especially EC300J is 950
It appears to have a surface area of m 2 / g. KETJEN
BLACK EC 300J is mesophase carbon (mes
of carbose, and thus has a region on the long range. These areas are
Carbon can be made more corrosion resistant which is important for cathode applications.

【0037】Klinedienstに対する米国特許
第4,461,814号明細書によると、KETJEN
BLACKオイルファーネスブラックは表面積(90
0m2/gを超える)およびジブチルフタレート(“D
BP”)吸収数の双方が高い。Klinedienst
は、ASTM試験D−2414−70によりDBP吸収
を決定するとき、吸収数は、好ましくは、100gのカ
ーボンブラック当たり125cm3を超える(例えば、
230cm3/100gを超える)べきであり、表面積
は250m2/gを超えるべきであり、最適の特性を有
するカーボンブラックカソードコレクターを与える。K
ETJEN BLACKのDBP吸収数はKlined
ienstにより340cm3/100gであると報告
されている。アセチレンブラックは、高いDBP吸収数
であるが低いB.E.T.表面積の傾向にある。逆に、
Lurgiカーボンブラック(Lurgi Umive
ttおよびChemotechnik GmbHから入
手できる)は非常に高いB.E.T.表面積であり(1
200m2/gを超える)、低いDBP吸収数(100
未満)であり得る。「CSX」カーボンブラック(Bi
llerica,MAのCabot Corporat
ionから入手できる)も高いB.E.T.表面積で高
いDBP吸収数であると報告されている。
According to US Pat. No. 4,461,814 to Klinedienst, KETJEN
BLACK oil furnace black has a surface area (90
0 m 2 / g) and dibutyl phthalate (“D
BP ") Both absorption numbers are high. Klinedienst
Determines the DBP absorption according to ASTM test D-2414-70, the absorption number is preferably greater than 125 cm 3 per 100 g of carbon black (for example,
230 cm 3/100 g greater than) and should be, the surface area should exceed 250 meters 2 / g, giving a carbon black cathode collector with optimum properties. K
ETJEN BLACK DBP absorption number is Klined
It has been reported to be 340cm 3 / 100g by ienst. Acetylene black has high DBP absorption but low B.P. E. FIG. T. Tends to surface area. vice versa,
Lurgi Carbon Black (Lurgi Umive
tt and available from Chemotechnik GmbH). E. FIG. T. Surface area (1
200 m 2 / g), low DBP absorption number (100
Less than). "CSX" carbon black (Bi
Cabot Corporation of llerica, MA
ion) (also available from ION). E. FIG. T. It is reported that the surface area has a high DBP absorption number.

【0038】ポリエーテルスルホンおよびカーボンブレ
ンドのための適切な溶媒には、N,N−ジメチルホルム
アミド(“DMF”)、N,N−ジメチルアセタミド、
N−メチルピロリドンおよびジメチルスルホキシドから
なる群から選択されるものがある。ポリエーテルスルホ
ンを溶解させるのに必要な溶媒の量は溶媒に依存して変
動し得る。例えば、10〜20重量%がDMFに溶解す
る。
Suitable solvents for the polyethersulfone and carbon blend include N, N-dimethylformamide ("DMF"), N, N-dimethylacetamide,
Some are selected from the group consisting of N-methylpyrrolidone and dimethylsulfoxide. The amount of solvent required to dissolve the polyethersulfone can vary depending on the solvent. For example, 10-20% by weight dissolves in DMF.

【0039】ポリエーテルスルホンおよびカーボン粒子
のブレンドのための非溶媒である適切な凝固液は、水、
イソプロパノールおよびヘキサンならびに水とイソプロ
パノールとの混合物からなる群から選択されるものであ
る。
Suitable coagulating liquids which are non-solvents for blending the polyethersulfone and carbon particles include water,
It is selected from the group consisting of isopropanol and hexane and a mixture of water and isopropanol.

【0040】Vulcan XC−72、アセチレンブ
ラックC−100およびBlackPearl 200
0のような多孔性カーボン材料は、このようなカーボン
が燃料電池電極に使用されるときに一般に起こる水フラ
ッデイング問題をもたらすことなく、本発明の方法のガ
ス拡散電極を製造するのに使用できる。カーボンをブレ
ンド状態で流延する場合に、ガス電極のフラッデイング
がもたらされると思われるかかる大量の液体を上記のよ
うなカーボン材料は吸収する。VulcanXC−72
等のような低い表面積をもつカーボンを使用する場合、
これらのカーボンはあまり多くの液体を吸収せず、多す
ぎる液体はフイルムとして流延され得る組成物を生じさ
せるのに必要である。結論として、このようにして製造
した数百マイクロメートルの厚さのフイルムであって
も、電極のための活性カーボン材料を充分に含有しな
い。さらに、チヤコールのようなカーボン材料は、高い
電気抵抗を有し、しかもそれらの寸法のため、それが形
成する高多孔性マトリックスは標準的な燃料電池集成装
置が受ける高い圧力、即ち、20psi〜100psi
の圧力に耐えることができない。したがって、チヤコー
ルは燃料電池電極の製造に使用されなかった。
Vulcan XC-72, acetylene black C-100 and BlackPearl 200
A porous carbon material, such as 0, can be used to make the gas diffusion electrode of the method of the present invention without causing the water flooding problem commonly encountered when such carbon is used in fuel cell electrodes. . Such carbon materials absorb such large amounts of liquid that would result in flooding of the gas electrode when the carbon is cast in a blended state. Vulcan XC-72
When using carbon with a low surface area such as
These carbons do not absorb too much liquid and too much liquid is necessary to produce a composition that can be cast as a film. In conclusion, even a few hundred micrometers thick film produced in this way does not contain enough active carbon material for the electrodes. In addition, carbon materials such as charcoal have high electrical resistance, and because of their dimensions, the high porosity matrix they form is subject to the high pressures encountered by standard fuel cell assemblies, i.e., 20 psi to 100 psi.
Can not withstand the pressure of. Therefore, charcoal was not used in the manufacture of fuel cell electrodes.

【0041】高振動数の超音波を使用することにより、
フラッデング問題が解決でき、しかもこのようなカーボ
ン材料が溶媒中で流延できることが予期しないで見いだ
された。したがって、燃料電池用電極の製造に通常用い
られる、Vulcan XC−72のようなカーボン材
料による大量の液体の吸収の問題を解決するために、有
機溶媒(DMF)およびポリエーテルスルホンをカーボ
ン材料と共に処理して超音波装置によりよく混合して懸
濁物を得る。高振動数の超音波は、カーボン布支持体上
に所望の厚さで流延できるスラリーをもたらす。超音波
は、カーボンに流延工程による電極の形成を邪魔するの
に足る液体を吸収をさせないと思われる。ポリエーテル
スルホン、白金触媒およびカーボン材料の混合物に超音
波処理をすると流延工程を邪魔する溶媒を少なくしてよ
り薄い厚さに流延できるスラリーが得られることを見い
だした。したがって、本発明は燃料電池電極のために一
般的なカーボンを流延できる。
By using high frequency ultrasound,
It has been unexpectedly found that the flooding problem can be solved and that such a carbon material can be cast in a solvent. Therefore, organic solvents (DMF) and polyethersulfone are treated with the carbon material to solve the problem of absorption of large amounts of liquid by carbon materials such as Vulcan XC-72, which are commonly used in the manufacture of fuel cell electrodes. And mix well with an ultrasonic device to obtain a suspension. High frequency ultrasound results in a slurry that can be cast at the desired thickness on a carbon cloth support. Ultrasound does not appear to cause the carbon to absorb enough liquid to interfere with the formation of electrodes during the casting process. It has been found that sonication of a mixture of polyether sulfone, a platinum catalyst and a carbon material results in a slurry that can be cast to a smaller thickness with less solvent hindering the casting process. Thus, the present invention can cast common carbon for fuel cell electrodes.

【0042】良好なガス拡散電極の形成は、このガス拡
散電極のマトリックス内で均一に反応体ガスが拡がるこ
とが必要である。ガスは流体であり、最も抵抗の少ない
通路に沿って流れる流体様挙動をする。燃料電池では、
反応体ガスは触媒層に向かって流れ、そこで消費され
る。燃料電池装置、特に電極における一問題は通路の均
質性である。もし、電極マトリックスが一領域で密度が
高くそして別の領域で密度が低いと、ガス流の殆どは密
度の低い領域に向かう。結果として、触媒は十分に利用
されない。本発明のガス拡散電極は横方向に均質でしか
もガス流の方向に向かって非対称である電極マトリック
スを有する。これは、電極に入るとき、ガスが、抵抗性
の少ない「開放(open)」であるガス拡散電極の表
面より浸透し、ガスが拡散するにしたがって、他表面方
向に、電極マトリックスが進行するに連れて密度が高く
なり、マトリックスの孔がより小さくなる。したがっ
て、本発明の電極マトリックスは、図1の写真に示され
ているように2つの非対称表面層をもつ異方性多孔構造
を有する。
The formation of a good gas diffusion electrode requires that the reactant gas spread evenly within the matrix of the gas diffusion electrode. Gas is a fluid and behaves like a fluid flowing along the path of least resistance. In fuel cells,
Reactant gases flow toward the catalyst bed where they are consumed. One problem with fuel cell devices, especially electrodes, is the homogeneity of the passages. If the electrode matrix is dense in one area and low in another area, most of the gas flow will go to the less dense area. As a result, the catalyst is underutilized. The gas diffusion electrode of the present invention has an electrode matrix that is laterally homogeneous and asymmetric in the direction of gas flow. This is because when the gas enters the electrode, the gas penetrates from the surface of the gas diffusion electrode, which is "open" with low resistance, and as the gas diffuses, the electrode matrix progresses toward the other surface. As the density increases, the pores of the matrix become smaller. Therefore, the electrode matrix of the present invention has an anisotropic porous structure with two asymmetric surface layers as shown in the photograph of FIG.

【0043】Cabasso等の1990年の論文に記
載されているように、PVF2、カーボン材料および白
金触媒のような混合物は超音波処理されないで、且つガ
ラス支持体上に溶液として流延されるとき、ガラスがポ
リマーカーボン混合物と相互作用する方式のために二重
密度表面が形成する。驚いたことに、浸透するガスの侵
入を容易にする電極の異方性構造を確実にするために、
カーボン布またはカーボン紙上に超音波処理したスラリ
ーを流延しなければならないことが見いだされた。超音
波処理したスラリーは、カーボン布上に流延し、それに
続いて水中に浸水するとき、異方性構造を確実にする。
As described in the 1990 article by Cabasso et al., Mixtures such as PVF 2 , carbon materials and platinum catalysts are not sonicated and when cast as a solution on a glass support. Due to the way the glass interacts with the polymer carbon mixture, a dual density surface forms. Surprisingly, to ensure the anisotropic structure of the electrode, which facilitates the penetration of the penetrating gas,
It has been found that the sonicated slurry has to be cast on carbon cloth or carbon paper. The sonicated slurry ensures anisotropic structure when cast on a carbon cloth and subsequently submerged in water.

【0044】マトリックスにおけるガス拡散および分布
は電極の性能にとって重要である。カーボン布上のガス
層の予測が鋭意検討された。流延したスラリーが、低温
でスラリーのための非溶媒である凝固液中で凝固すると
き、より高品質のガス拡散電極および横方向に均質な異
方性多孔構造がもたらされることも見いだされた。
Gas diffusion and distribution in the matrix is important for electrode performance. The prediction of the gas layer on the carbon cloth was studied diligently. It has also been found that when the cast slurry solidifies at low temperature in a coagulating liquid that is a non-solvent for the slurry, it results in higher quality gas diffusion electrodes and a laterally homogeneous anisotropic porous structure. .

【0045】適切な凝固浴温度は室温〜−30℃に及ぶ
ことができる。凝固液が水とアルコールとの混合物を含
むとき、0℃未満で、好ましくは、−20℃より高い温
度が使用される。凝固液が水の場合、25℃〜4℃の温
度が好ましく使用される。
[0045] Suitable coagulation bath temperatures can range from room temperature to -30 ° C. When the coagulating liquid comprises a mixture of water and alcohol, a temperature below 0C, preferably above -20C is used. When the coagulating liquid is water, a temperature of 25C to 4C is preferably used.

【0046】流延用スラリーに対して非溶媒である適切
な凝固液は、水およびアルコールおよび/または水と無
機塩の混合物であって99:1〜1:99の容量比で作
られる水溶液である。好ましくは、水が凝固液として使
用される。凝固液が混合物であるとき、水とアルコール
または水と塩との混合物であって90:10〜10:9
0の容量比のものが好適である。適切なアルコールに
は、エタノール、イソプロパノールおよびメタノール等
がある。適切な塩にはLiCl、LiNO3およびNa
NO3等がある。
Suitable coagulating liquids which are non-solvents for the casting slurry are water and alcohols and / or mixtures of water and inorganic salts, aqueous solutions made in a volume ratio of 99: 1 to 1:99. is there. Preferably, water is used as the coagulating liquid. When the coagulating liquid is a mixture, it is a mixture of water and alcohol or water and salt, and is 90:10 to 10: 9.
Those having a capacity ratio of 0 are preferred. Suitable alcohols include ethanol, isopropanol and methanol. Suitable salts include LiCl, LiNO 3 and Na
NO 3 and the like.

【0047】上述したように、触媒層における適切な熱
可塑性ポリマーは、ポリエーテルスルホン、ポリ(ビニ
リデンフルオライド)およびスルホン化ポリスルホンか
らなる群から選択されるものである。触媒層のための熱
可塑性ポリマーとして、スルホン化ポリエーテルスルホ
ンおよびスルホン化ポリ(フエニレンオキシド)も適切
であると思われる。
As mentioned above, suitable thermoplastic polymers in the catalyst layer are those selected from the group consisting of polyethersulfone, poly (vinylidene fluoride) and sulfonated polysulfone. Sulfonated polyethersulfone and sulfonated poly (phenylene oxide) also seem to be suitable as thermoplastic polymers for the catalyst layer.

【0048】[0048]

【実施例】次の実施例は本発明の例証であるが、それが
本発明を制限するものと解釈すべきでない。 (実施例1)高表面積(DP−5,200;200
2)カーボンブラック(Cabot,Inc.からV
ulcan VX−72Rとして市販)およびポリエー
テルスルホンを使用して湿潤転相法によりガス拡散電極
を製造した。カーボンブラックをポリエーテルスルホン
およびN,N−ジメチルホルムアミドの12〜15wt
%溶液中に分散させて懸濁液を形成した。この懸濁液
を、スラリーを形成する超音波処理装置を使用して10
分間よく混合した。ドクターブレードナイフを使用し
て、得られたスラリーを0.015〃厚さの疎水性、カ
ーボン布支持体(ZoltekからPanex PWB
−3として市販)上に0.50μmの厚さの一層のフイ
ルムが支持体上に形成するまで流延した。スラリーが少
なくとも部分的に布を浸透するのを確実にするために流
延している間注意を払った。次いで、このフイルムを脱
イオン水浴中に浸水させフイルムを凝固させた。凝固し
たフイルムを脱イオン水で非常によく洗い、乾燥箱中に
入れて少なくとも24時間乾燥させた。乾燥したフイル
ムはガス拡散電極のガス拡散層を形成し、これは表面に
小さな孔を有する(TEM写真を参照)。次いで、電極
のガス拡散層を250℃で1時間加熱した。
The following examples are illustrative of the present invention but should not be construed as limiting the invention. (Example 1) High surface area (DP-5, 200; 200)
m 2 ) carbon black (Cabot, Inc. to V
Gas diffusion electrodes were produced by wet phase inversion using commercially available ulcan VX-72R) and polyethersulfone. Carbon black is mixed with 12 to 15 wt% of polyether sulfone and N, N-dimethylformamide.
% To form a suspension. The suspension is converted to a slurry by sonication to form a slurry.
Mix well for minutes. Using a doctor blade knife, apply the resulting slurry to a 0.015 mm thick hydrophobic, carbon cloth support (Zoltek to Panex PWB).
(Commercially available as -3)) until one layer of 0.50 μm thick film was formed on the support. Care was taken during casting to ensure that the slurry at least partially penetrated the fabric. Next, the film was immersed in a deionized water bath to coagulate the film. The coagulated film was washed very well with deionized water and placed in a drying box and dried for at least 24 hours. The dried film forms the gas diffusion layer of the gas diffusion electrode, which has small pores on the surface (see TEM pictures). Next, the gas diffusion layer of the electrode was heated at 250 ° C. for 1 hour.

【0049】触媒層水性「インク」懸濁物を次のように
して調製した。すなわち、0.06gのポリビニリデン
フルオライド(PFV2)を4gの2−プロパノールお
よび6gの水中で超音波装置により懸濁させた。次い
で、0.05gの非イオン性界面活性剤(トリトン−X
−100)およびVulcan VX−72カーボンブ
ラック上の0.3gの20wt%PtをPFV2コロイ
ド溶液に加えた。この混合物を、超音波装置により再度
混合し、最終「インク」懸濁物を形成した。次いで、ア
ート用エアブラッシを使用して、ガス拡散電極の表面に
この「インク」を平均に塗布した。塗布手順は、7.0
gの「インク」懸濁物を88cm2のガス拡散層に塗布
することからなる。得られた電極は、図2に例証されて
いるように、20μmの厚さの触媒層で0.35mg/
cm2の白金を有した。白金粒子の寸法は20Å〜40
Åの範囲内である。次いで、電極を少なくとも2時間3
00℃加熱した。
An aqueous "ink" suspension of the catalyst layer was prepared as follows. That is, 0.06 g of polyvinylidene fluoride (PFV 2 ) was suspended in 4 g of 2-propanol and 6 g of water by an ultrasonic device. Then, 0.05 g of a nonionic surfactant (Triton-X
-100) and was added 20 wt% Pt of 0.3g on Vulcan VX-72 carbon black PFV 2 colloidal solution. The mixture was mixed again by sonication to form the final "ink" suspension. This "ink" was then applied on the surface of the gas diffusion electrode on average using an art air brush. The application procedure is 7.0
g of the "ink" suspension was applied to a 88 cm 2 gas diffusion layer. The resulting electrode, as illustrated in FIG. 2, has a 20 μm thick catalyst layer of 0.35 mg /
cm 2 of platinum. The size of the platinum particles is 20-40
It is within the range of Å. The electrodes are then applied for at least 2 hours 3
Heated at 00 ° C.

【0050】このような方法で製造したガス拡散電極を
2/O2燃料電池で評価した。この電極の触媒側を0.
5wt%のプロトン化117Nafion溶液を用いて
はけ塗りし、そして熱圧縮してNafion112また
はNafion117膜にした。1.0Vのオープンセ
ル電圧(open cell voltage)を測定
した。図3は、実施例1にしたがって製造したガス拡散
電極およびNafion112膜を使用した燃料電池の
分極曲線を示す。図4は、実施例1の電極とNafio
n112膜を異なる反応体圧力において使用する燃料電
池電極の分極曲線を示す。0.5Vにおいて、1A/c
2電流を引き出すことができ、この電極の良好な性能
を示す。 (実施例2)ガス拡散層を乾燥転相により製造した以
外、実施例1の方法を繰り返した。ポリエーテルスルホ
ンおよびアセチレンブラックC−100カーボンをDM
Fに溶解し、ペーストを形成した。このペーストをカー
ボン布支持体上に流延し、次いで、空気中で乾燥して溶
媒を完全に蒸発させ、流延フイルム層を形成した。次い
で、このフイルムを室温で2本ローラーを通過させ、電
極のガス拡散層を製造した。この電極およびNafio
n112膜を用いて製造した燃料電池は、1.0Vのオ
ープンセル電圧を有し、0.5Vにおいて、電流密度は
800mA/cm2であった。 (実施例3)水およびDMFの混合物を凝固溶媒として
使用してガス拡散層を製造した以外は、実施例1の方法
を繰り返した。スルホン化ポリスルホンを、触媒層「イ
ンク」懸濁物中のポリマーとしてPVF2の代わりに使
用した。この電極およびNafion112膜を使用し
て製造した燃料電池は約35%のより高い白金触媒の利
用率であった。0.5Vにおいて、燃料電池について2
A/cm2の電流密度を測定した。 (実施例4)活性炭上の白金0.5g(10wt%P
t,Fluka Chemical,Inc.)を1.
6gのDMFとDMF中の1.6gの15wt%PES
F溶液との混合物中に超音波装置により懸濁させた。次
いで、この懸濁物をカーボン布支持体上にドクターナイ
フを使用して流延し一層のフイルムを形成した。このフ
イルムを脱イオン水浴に30秒間浸水させてフイルムを
凝固させた。次いで、凝固したフイルムを水浴から取り
出し、非常によく洗浄し、乾燥箱中に入れて24時間乾
燥させた。触媒層の白金含有は0.5mg/cm2であ
った。形成したガス拡散電極の厚さは約150μmであ
った。このガス拡散電極とNafion117膜を使用
して製造した燃料電池は0.69Ω/cm2の過抵抗
(overresistance)および110mV/
ディケード(decade)のTafel勾配を有し
た。最大電流密度は800mA/cm2であった。 (実施例5)高度に疎水性で、60m2/gの低い表面
積のカーボンブラック(5〜20%範囲)、アセチレン
ブラックC−100(Chevron Chemica
lCo.)の添加以外、実施例4の方法を繰り返した。
この実施例で触媒層中の白金の表面濃度は0.1mg/
cm2であった。第2カーボンの量が0から10%に増
加したとき、最大電流密度は800mA/cm2から1
A/cm2に増加した。 (実施例6)ポリ(ビニルピロリドン)PVPをガス拡
散層の多孔率を制御し、必要な開放孔構造を得るために
孔フイルターとして使用した以外、実施例4の方法を繰
り返した。ガス拡散層を流延する前にPVPをポリマー
溶液と混合した。続いて、PVPを水で3日間電極を濯
ぐことにより除いた。このガス拡散電極とNafion
117膜を用いて製造した燃料電池の全セル電圧(ov
erall cellvoltage)は約200mV
に増加した。
The gas diffusion electrode manufactured by the above method was evaluated in a H 2 / O 2 fuel cell. Set the catalyst side of this electrode to 0.
Brushed with 5 wt% protonated 117 Nafion solution and hot pressed to Nafion 112 or Nafion 117 membrane. An open cell voltage of 1.0 V was measured. FIG. 3 shows a polarization curve of a fuel cell using a gas diffusion electrode manufactured according to Example 1 and a Nafion 112 membrane. FIG. 4 shows the electrode of Example 1 and Nafio.
Figure 3 shows polarization curves for fuel cell electrodes using n112 membrane at different reactant pressures. 1 A / c at 0.5 V
m 2 current can be drawn, indicating good performance of this electrode. (Example 2) The method of Example 1 was repeated except that the gas diffusion layer was manufactured by dry phase inversion. Polyethersulfone and acetylene black C-100 carbon were converted to DM
F to form a paste. The paste was cast on a carbon cloth support, and then dried in air to completely evaporate the solvent to form a cast film layer. Next, this film was passed through two rollers at room temperature to produce a gas diffusion layer of an electrode. This electrode and Nafio
The fuel cell manufactured using the n112 membrane had an open cell voltage of 1.0 V and at 0.5 V the current density was 800 mA / cm 2 . Example 3 The method of Example 1 was repeated except that a gas diffusion layer was produced using a mixture of water and DMF as a coagulating solvent. Sulfonated polysulfone was used instead of PVF 2 as the polymer in the catalyst layer “ink” suspension. Fuel cells made using this electrode and the Nafion 112 membrane had a higher platinum catalyst utilization of about 35%. At 0.5V, 2 for fuel cell
The current density of A / cm 2 was measured. (Example 4) 0.5 g of platinum on activated carbon (10 wt% P
t, Fluka Chemical, Inc. ) To 1.
6g DMF and 1.6g 15wt% PES in DMF
It was suspended in a mixture with the F solution by an ultrasonic device. The suspension was then cast on a carbon cloth support using a doctor knife to form a layer of film. The film was immersed in a deionized water bath for 30 seconds to coagulate the film. The solidified film was then removed from the water bath, washed very well and placed in a drying box and dried for 24 hours. The platinum content of the catalyst layer was 0.5 mg / cm 2 . The thickness of the formed gas diffusion electrode was about 150 μm. A fuel cell manufactured using the gas diffusion electrode and the Nafion 117 membrane has an overresistance of 0.69 Ω / cm 2 and 110 mV / cm 2.
It had a Decade Tafel gradient. The maximum current density was 800 mA / cm 2 . (Example 5) highly hydrophobic, carbon black (5-20% range) of the low surface area of 60 m 2 / g, acetylene black C-100 (Chevron Chemica
lCo. The method of Example 4 was repeated, except for the addition of ()).
In this example, the surface concentration of platinum in the catalyst layer was 0.1 mg /
cm 2 . When the amount of secondary carbon is increased from 0 to 10%, the maximum current density is from 800 mA / cm 2 to 1
A / cm 2 . Example 6 The method of Example 4 was repeated except that poly (vinylpyrrolidone) PVP was used as a pore filter to control the porosity of the gas diffusion layer and to obtain the required open pore structure. PVP was mixed with the polymer solution before casting the gas diffusion layer. Subsequently, the PVP was removed by rinsing the electrodes with water for 3 days. This gas diffusion electrode and Nafion
117 cell voltage (ov)
erall cell voltage) is about 200 mV
Increased.

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

【図1】 図1は、本発明のPESF−カーボン拡散電
極の断面を現す走査電子顕微鏡(SEM)写真である。
Aは200倍でありBは500倍である。
FIG. 1 is a scanning electron microscope (SEM) photograph showing a cross section of a PESF-carbon diffusion electrode of the present invention.
A is 200 times and B is 500 times.

【図2】 図2は、本発明のPESF−カーボン拡散電
極の断面を現す400倍の走査電子顕微鏡写真である。
aは二次イメージであり、bはpt x線マップであ
る。
FIG. 2 is a 400 × scanning electron micrograph showing a cross section of a PESF-carbon diffusion electrode of the present invention.
a is the secondary image and b is the pt x-ray map.

【図3】 図3は、80℃,300psigにおける実
施例1に記載した通りに製造したガス拡散電極とNaf
in 112膜を含有する本発明の燃料電池集成装置に
ついてのセル電位(セル電圧(V))対電流密度(A/
cm2)のグラフである。
FIG. 3 shows a gas diffusion electrode and Naf prepared as described in Example 1 at 80 ° C., 300 psig.
Cell potential (cell voltage (V)) vs. current density (A /) for the fuel cell assembly of the present invention containing an in 112 membrane.
cm 2 ).

【図4】 図4は、種々の水素−酸素ガス圧:(○)1
0psig;(●);および(▼)30psigにおけ
る実施例1に記載した通りに製造したガス拡散電極とN
afin 112膜を含有する本発明の燃料電池集成装
置についてのセル電位(セル電圧(V))対電流密度
(A/cm2)のグラフである。
FIG. 4 shows various hydrogen-oxygen gas pressures: (○) 1.
(●); and (▼) a gas diffusion electrode manufactured as described in Example 1 at 30 psig and N
5 is a graph of cell potential (cell voltage (V)) versus current density (A / cm 2 ) for a fuel cell assembly of the present invention containing an afin 112 membrane.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 イスラエル・カバッソ アメリカ合衆国ニューヨーク州13210,シ ラキュース,バッキンガム・アベニュー 131 (72)発明者 ユーシン・ユアン アメリカ合衆国ニューヨーク州13210,シ ラキュース,バッキンガム・アベニュー 131 (72)発明者 シャオ・スー アメリカ合衆国カリフォルニア州94555, フレモント,モンタギュー・アベニュー 4862 ────────────────────────────────────────────────── ─── Continuing on the front page (72) Inventor, Cabasso, Israel 13210, Syracuse, Buckingham Avenue 131, New York, United States of America Inventor Yushin Yuan 13210, Syracuse, Buckingham Avenue 131, New York, United States 131 (72) Inventor Xiao Xue, United States 94555, California, Montague Avenue, Fremont 4862

Claims (21)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 多孔性カーボンマトリックスから構成さ
れている異方性ガス拡散層および触媒カーボン粒子と熱
可塑性ポリマーとを含有する凝固した「インク」懸濁物
から製造されている触媒層を含む燃料電池用の電気触媒
ガス拡散電極であって、前記多孔性カーボンマトリック
スじゅうをカーボン粒子とポリエーテルスルホンとが、
当該マトリックスがガスの流れに対して横方向に均質に
多孔性なっておりしかもガスの流れの方向に非対称にガ
スが浸透し得る多孔性であるように分布されており、前
記ガス拡散層の多孔率がガスの流れの方向に向かって低
下しており、当該ガス拡散層の厚さは約50μm〜約3
00μmであり、そして、前記触媒層が前記ガス拡散層
の小多孔率表面を被覆し、当該触媒層が約7μm〜約5
0μmの厚さであり且つ金属触媒を約0.2mg/cm
2〜約0.5mg/cm2有する、前記電極。
1. A fuel comprising an anisotropic gas diffusion layer composed of a porous carbon matrix and a catalyst layer made from a solidified "ink" suspension containing catalytic carbon particles and a thermoplastic polymer. An electrocatalytic gas diffusion electrode for a battery, wherein the porous carbon matrix is made of carbon particles and polyether sulfone,
The matrix is uniformly porous in the transverse direction to the gas flow, and is distributed so as to allow gas to penetrate asymmetrically in the gas flow direction. Rate decreases in the direction of gas flow, and the thickness of the gas diffusion layer ranges from about 50 μm to about 3 μm.
00 μm, and the catalyst layer covers the small porosity surface of the gas diffusion layer, and the catalyst layer has a thickness of about 7 μm to about 5 μm.
0 μm thick and about 0.2 mg / cm 2 of metal catalyst
The electrode above, having from 2 to about 0.5 mg / cm 2 .
【請求項2】 前記触媒層が約5〜約25重量%の前記
ポリエーテルスルホポリマーを含有し、残量が前記カー
ボン粒子である、請求項1に記載の電極。
2. The electrode of claim 1, wherein said catalyst layer comprises about 5 to about 25% by weight of said polyether sulfopolymer, with the balance being said carbon particles.
【請求項3】 前記ガス拡散層が約20:80〜約4
5:65のポリマー対カーボン比を有する、請求項1に
記載の電極。
3. The method according to claim 2, wherein the gas diffusion layer is about 20:80 to about 4
The electrode of claim 1 having a polymer to carbon ratio of 5:65.
【請求項4】 前記カーボン粒子が活性炭、カーボンブ
ラックおよびアセチレンブラックからなる群から選択さ
れ、該カーボン粒子のB.E.T.表面積が約50m2
/g〜約2000m2/gである、請求項1に記載の電
極。
4. The method according to claim 1, wherein the carbon particles are selected from the group consisting of activated carbon, carbon black and acetylene black. E. FIG. T. Surface area is about 50m 2
2. The electrode of claim 1, wherein said electrode is between about 2000 m2 / g and about 2000 m2 / g.
【請求項5】 前記ガス拡散層がポリ(ビニルピロリド
ン)をさらに含有する、請求項1〜4のいずれかに記載
の電極。
5. The electrode according to claim 1, wherein the gas diffusion layer further contains poly (vinylpyrrolidone).
【請求項6】 触媒層中の熱可塑性ポリマーがPV
2、スルホン化ポリスルホン、スルホン化ポリエーテ
ルスルホン、およびスルホン化ポリ(フエニレンオキシ
ド)からなる群から選択される、請求項1に記載の電
極。
6. The thermoplastic polymer in the catalyst layer is PV
F 2, sulfonated polysulfone, sulfonated polyethersulfone, and is selected from the group consisting of sulfonated poly (phenylene oxide) electrode according to claim 1.
【請求項7】 触媒カーボン粒子が、約200m2/g
〜約2000m2/gのB.E.T.表面積を有する高
表面積カーボンキヤリアー粒子(carboncarr
ier particles)に接着されている触媒金
属粒子を含む、請求項1に記載の電極。
7. The catalyst carbon particles have a particle size of about 200 m 2 / g.
B. to about 2000m 2 / g E. FIG. T. High surface area carbon carrier particles having a large surface area (carboncarr)
The electrode of claim 1, comprising catalytic metal particles adhered to the outer particles.
【請求項8】 前記触媒金属粒子が前記カーボンキヤリ
アー粒子上に均一に付着されている貴金属粒子を含み、
当該貴金属が白金、パラジウム、ロジウムおよびイリジ
ウムからなる群から選択され、前記カーボンキヤリアー
粒子の重量を基準に10〜20%の量で存在する、請求
項7に記載の電極。
8. The catalyst metal particles include precious metal particles uniformly deposited on the carbon carrier particles,
The electrode according to claim 7, wherein the noble metal is selected from the group consisting of platinum, palladium, rhodium and iridium, and is present in an amount of 10-20% based on the weight of the carbon carrier particles.
【請求項9】 前記ガス拡散層の厚さが約75μm〜約
150μmである、請求項1に記載の電極。
9. The electrode according to claim 1, wherein said gas diffusion layer has a thickness of about 75 μm to about 150 μm.
【請求項10】 前記触媒層の厚さが7μm〜10μm
であり、白金触媒を0.15mg/cm2〜0.5mg
/cm2有する、請求項1に記載の電極。
10. The catalyst layer has a thickness of 7 μm to 10 μm.
0.15 mg / cm 2 -0.5 mg of platinum catalyst
The electrode according to claim 1, wherein the electrode has a density of / cm 2 .
【請求項11】 前記触媒層が、5〜30%PVF2
よび70〜95%カーボン粒子と混合した白金合金から
なる、請求項1に記載の電極。
Wherein said catalyst layer is comprised of 5 to 30% PVF 2 and 70% to 95% carbon particles mixed with a platinum alloy electrode according to claim 1.
【請求項12】 燃料電池に使用するのに適したガス拡
散電極の製造方法であって、 a.多孔性カーボンマトリックスから構成されている異
方性ガス拡散層を調製する工程、ここで、前記多孔性カ
ーボンマトリックスじゅうをカーボン粒子とポリエーテ
ルスルホンとが、当該マトリックスがガスの流れに対し
て横方向に均質に多孔性となっておりしかもガスの流れ
の方向に非対称にガスが浸透しうる多孔性であるように
分布されており、前記ガス拡散層の多孔率がガスの流れ
の方向に向かって低下しており、当該ガス拡散層の厚さ
は約50μm〜約300μmであり、当該拡散層を、
1)ドクターナイフを用いてカーボン支持体上にポリエ
ーテルスルホンのための溶媒中に溶解したポリエーテル
スルホンとカーボン粒子とのブレンドを流延してカーボ
ン支持体上に一層のフイルムを形成し、2)ポリエーテ
ルスルホンに対して非溶媒である凝固液中でフイルムを
凝固し、そして3)凝固溶媒を除去することにより調製
し、そして b.前記ガス拡散層の小多孔率表面上に、触媒カーボン
粒子と熱可塑性ポリマーを含有するインク懸濁物から構
成されている触媒層を塗装する工程、ここで、前記懸濁
物が0.5〜2%の熱可塑性ポリマーを含み、当該熱可
塑性ポリマーがポリエーテルスルホン、ポリ(ビニリデ
ンフルオライド)およびスルホン化ポリスルホンからな
る群から選択され、前記触媒層が前記ガス拡散層の小多
孔率表面を被覆し、当該触媒層の厚さが約7μm〜約5
0μmであり且つ金属触媒を約0.2mg/cm2〜約
0.5mg/cm2有する、前記方法。
12. A method of manufacturing a gas diffusion electrode suitable for use in a fuel cell, comprising: a. A step of preparing an anisotropic gas diffusion layer composed of a porous carbon matrix, wherein the porous carbon matrix is coated with carbon particles and polyether sulfone in a direction transverse to the gas flow. The gas diffusion layer is homogeneously porous and is distributed so as to allow gas to penetrate asymmetrically in the direction of gas flow, and the porosity of the gas diffusion layer increases in the direction of gas flow. The thickness of the gas diffusion layer is about 50 μm to about 300 μm;
1) Using a doctor knife, cast a blend of polyethersulfone and carbon particles dissolved in a solvent for polyethersulfone on a carbon support to form a film on the carbon support, A) by coagulating the film in a coagulating liquid that is a non-solvent for the polyether sulfone, and 3) removing the coagulating solvent, and b. A step of coating a catalyst layer composed of an ink suspension containing catalytic carbon particles and a thermoplastic polymer on the small porosity surface of the gas diffusion layer, wherein the suspension is 0.5 to 2% thermoplastic polymer, wherein the thermoplastic polymer is selected from the group consisting of polyethersulfone, poly (vinylidene fluoride) and sulfonated polysulfone, wherein the catalyst layer covers the small porosity surface of the gas diffusion layer And the thickness of the catalyst layer is about 7 μm to about 5 μm.
0. The method of claim 1 wherein said metal catalyst is about 0.2 mg / cm < 2 > to about 0.5 mg / cm < 2 >.
【請求項13】 工程(a)(1)において、前記ガス
拡散層が、N,N′−ジメチルホルムアミド中に5〜2
5wt%のPESFを含む溶液を用いて製造される、請
求項12に記載の方法。
13. The method according to claim 1, wherein in the step (a) (1), the gas diffusion layer is formed in N, N′-dimethylformamide by 5 to 2 hours.
13. The method of claim 12, wherein the method is produced using a solution comprising 5 wt% PESF.
【請求項14】 工程(a)(1)において、前記カー
ボン粒子が活性炭、カーボンブラック、アセチレンブラ
ックおよびそれらの混合物からなる群から選択され、
B.E.T.表面積が約50m2/g〜2000m2/g
である、請求項12に記載の方法。
14. In step (a) (1), the carbon particles are selected from the group consisting of activated carbon, carbon black, acetylene black and mixtures thereof,
B. E. FIG. T. Surface area of about 50m 2 / g~2000m 2 / g
13. The method of claim 12, wherein
【請求項15】 工程(a)(1)において、ポリエー
テルスルホン用の溶媒中に溶解したポリエーテルスルホ
ンとカーボン粒子とのブレンドを、ポリエーテルスルホ
ンとカーボン粒子とを均質に混合するのに足る期間にわ
たって超音波処理をする、請求項14に記載の方法。
15. In step (a) (1), a blend of polyethersulfone and carbon particles dissolved in a solvent for polyethersulfone is sufficient to uniformly mix polyethersulfone and carbon particles. 15. The method of claim 14, wherein sonication is performed over a period of time.
【請求項16】 (a)(1)において、ポリエーテル
スルホンのための溶媒がN,N−ジメチルホルムアミ
ド、N,N−ジメチルアセタミド、N−メチルピロリド
ンおよびジメチルスルホキシドからなる群から選択され
る、請求項14に記載の方法。
16. (a) In (1), the solvent for the polyethersulfone is selected from the group consisting of N, N-dimethylformamide, N, N-dimethylacetamide, N-methylpyrrolidone and dimethylsulfoxide. The method of claim 14, wherein
【請求項17】 工程(a)(2)において、前記ガス
拡散層が、水、ヘキサン、エタノール、水/N,N′−
ジメチルホルムアミド、水/エタノール、水/メタノー
ル、水/イソプロパノール、テトラヒドロフランおよび
それらの混合物からなる群から選択される凝固液を使用
して製造される、請求項12に記載の方法。
17. In the step (a) and the step (2), the gas diffusion layer is made of water, hexane, ethanol, water / N, N′-.
13. The method of claim 12, wherein the method is produced using a coagulating liquid selected from the group consisting of dimethylformamide, water / ethanol, water / methanol, water / isopropanol, tetrahydrofuran, and mixtures thereof.
【請求項18】 工程(a)(2)において、前記凝固
液の温度が周囲温度〜−30℃である、請求項17に記
載の方法。
18. The method of claim 17, wherein in step (a) (2), the temperature of the coagulating liquid is between ambient temperature and −30 ° C.
【請求項19】 工程(b)において、触媒層が非イオ
ン性界面活性剤を含有する、請求項12に記載の方法。
19. The method of claim 12, wherein in step (b), the catalyst layer contains a non-ionic surfactant.
【請求項20】 15分〜2時間にわたって200℃〜
300℃で最終電極を焼結する(c)工程をさらに含
む、請求項12〜19のいずれかに記載の方法。
20. 200 ° C. for 15 minutes to 2 hours
The method according to any of claims 12 to 19, further comprising the step (c) of sintering the final electrode at 300C.
【請求項21】 工程(b)において、前記塗装をエア
ブラッシュ塗装法により行う、請求項12に記載の方
法。
21. The method according to claim 12, wherein in step (b), the coating is performed by an air brush coating method.
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