JPH11217688A - Solid polymer electrolyte-catalyst composite electrode, water electrolyzing device and fuel battery using the same - Google Patents

Solid polymer electrolyte-catalyst composite electrode, water electrolyzing device and fuel battery using the same

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JPH11217688A
JPH11217688A JP10062221A JP6222198A JPH11217688A JP H11217688 A JPH11217688 A JP H11217688A JP 10062221 A JP10062221 A JP 10062221A JP 6222198 A JP6222198 A JP 6222198A JP H11217688 A JPH11217688 A JP H11217688A
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JP
Japan
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electrode
polymer electrolyte
solid polymer
catalyst
composite electrode
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Shuji Hitomi
人見  周二
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Japan Storage Battery Co Ltd
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Japan Storage Battery Co Ltd
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  • Electrodes For Compound Or Non-Metal Manufacture (AREA)
  • Electrolytic Production Of Non-Metals, Compounds, Apparatuses Therefor (AREA)
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a slid polymer electrolyte-catalyst composite electrode with high electronic conductivity, furthermore to provide a water electrolytic cell improved in energy efficiency and to improve a fuel battery improved in working voltage characteristics. SOLUTION: The structure in which electronically conductive substance is carried on an ion conducting region in a solid polymer electrolyte domain of a porous solid polymer electrolyte-calalyst composite electrode contg. solid polymer electrolytes 2 and catalytic grains 3 is made. In the water electrolytic cell and a fuel battery, this electrode is used, and the structure in which a feeding body (collecting body) is in contact with the surface of the electrode is made.

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
−触媒複合電極およびこれを用いた水電解槽、燃料電池
に関するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a solid polymer electrolyte-catalyst composite electrode, a water electrolysis tank and a fuel cell using the same.

【従来の技術】水電解槽や燃料電池等に用いられる固体
高分子電解質−触媒複合電極は、固体高分子電解質と触
媒粒子とを含んでなり、触媒粒子が三次元に分布すると
ともに内部に複数の細孔が形成された多孔性の電極であ
って、例えば、水電解槽の原料である水、また燃料電池
の活物質である酸素、水素は主にこの細孔を通じて電極
内に供給され、これら供給原料または活物質と、電極内
の触媒粒子および固体高分子電解質で形成される三層界
面で反応が進むものである。そして、このような固体高
分子電解質−触媒複合電極には、例えば、図12の断面
構造図に示されるような固体高分子電解質22と触媒粒
子23のみからなるタイプのものや、図13に示される
ような、さらにこれにPTFE粒子25が加えられてな
るタイプのものがあり、通常、前者のものでは上記細孔
24は電極体積に対し約10%以上の体積を占め、後者
のものではその比率はより大きくなっている。固体高分
子電解質と触媒粒子のみからなるタイプのものは、例え
ば、触媒粒子と固体高分子電解質溶液を混錬したペース
トを作製し、高分子フイルム上に製膜(膜厚3〜30μ
m)した後、自然乾燥させて作製され、このタイプのも
のでは、固体高分子電解質は結着剤の役割も兼ねてい
る。また、PTFE粒子が加えられてなるタイプのもの
は、例えば、触媒粒子と粒子径0.23μm程度のPT
FE粒子分散溶液を混錬したペーストを作製し、高分子
フイルム上に製膜(膜厚3〜30μm)した後、PTF
E粒子が結着剤として働くように加熱乾燥させ、さらに
この膜に固体高分子電解質溶液を含浸させ、自然乾燥さ
せて作製され、結着剤としての役割をPTFE粒子が主
として担っている。尚、上記いずれの場合も、固体高分
子電解質溶液としては、後に接合されるイオン交換膜と
同じ組成からなるものをアルコ−ル等で溶解し液状にし
たもが用いられ、触媒粒子としては、金属または金属酸
化物触媒粒子、カーボン粒子、触媒担持カーボン等が用
いられ、約0.05〜10μmの粒子径を持つ粒子が用
いられることが多い。
2. Description of the Related Art A solid polymer electrolyte-catalyst composite electrode used for a water electrolyzer, a fuel cell, and the like includes a solid polymer electrolyte and catalyst particles, and the catalyst particles are three-dimensionally distributed and a plurality of catalyst particles are contained therein. Is a porous electrode in which pores are formed, for example, water as a raw material of a water electrolysis tank, oxygen as an active material of a fuel cell, and hydrogen are mainly supplied into the electrode through the pores, The reaction proceeds with the three-layer interface formed by the catalyst and the solid polymer electrolyte in the electrode with the feed material or the active material. Such a solid polymer electrolyte-catalyst composite electrode includes, for example, a type consisting only of a solid polymer electrolyte 22 and catalyst particles 23 as shown in a sectional structural view of FIG. There is a type in which the PTFE particles 25 are further added thereto. Usually, in the former type, the pores 24 occupy about 10% or more of the electrode volume, and in the latter type, The ratio is getting bigger. For the type consisting of the solid polymer electrolyte and the catalyst particles only, for example, a paste in which the catalyst particles and the solid polymer electrolyte solution are kneaded is prepared and formed into a film (thickness: 3 to 30 μm) on the polymer film.
m), and then dried naturally. In this type, the solid polymer electrolyte also serves as a binder. Further, a type in which PTFE particles are added is, for example, a catalyst particle and a PT particle having a particle diameter of about 0.23 μm.
A paste is prepared by kneading the FE particle dispersion solution, and is formed into a film (thickness: 3 to 30 μm) on a polymer film.
It is manufactured by heating and drying so that the E particles work as a binder, further impregnating the membrane with a solid polymer electrolyte solution, and naturally drying, and PTFE particles mainly play a role as a binder. In any of the above cases, a solid polymer electrolyte solution obtained by dissolving a liquid having the same composition as the ion exchange membrane to be bonded later with an alcohol or the like is used, and as the catalyst particles, Metal or metal oxide catalyst particles, carbon particles, catalyst-carrying carbon and the like are used, and particles having a particle diameter of about 0.05 to 10 μm are often used.

【0002】このような固体高分子電解質−触媒複合電
極は、例えば固体高分子電解質膜であるイオン交換膜の
両面にホットプレス法にて接合されてイオン交換膜−触
媒電極接合体として構成され、さらに電極に対する給
電、集電のための給電体(燃料電池の場合には、ガス拡
散層を形成する集電体、と呼ぶことにする。以下集電体
とのみ記載。)が電極表面に当接され、水電解槽や燃料
電池ホルダーに組み込まれることによって、固体高分子
型水電解槽や固体高分子型燃料電池用の電極として用い
られている。尚、給電体(集電体)としては、水電解槽
では、電極への電力の供給と同時に原料の水や、生成さ
れた酸素や水素の流路確保の役割を持たせ、また燃料電
池では、電極との電子の授受と同時に活物質である酸
素、水素の流路確保の役割を持たせるために、チタン、
カ−ボン等の材質からなる多孔体が用いられることが多
い。
Such a solid polymer electrolyte-catalyst composite electrode is formed as an ion exchange membrane-catalyst electrode assembly by, for example, bonding to both surfaces of an ion exchange membrane which is a solid polymer electrolyte membrane by a hot press method. Further, a power supply for power supply and current collection for the electrode (in the case of a fuel cell, a current collector for forming a gas diffusion layer, hereinafter referred to only as a current collector) is applied to the electrode surface. It is used as an electrode for a polymer electrolyte water electrolyzer and a polymer electrolyte fuel cell by being in contact with and being incorporated into a water electrolyzer and a fuel cell holder. In the case of a water electrolysis tank, the power supply (current collector) is used to supply power to the electrodes and at the same time to have a role of securing a flow path for raw water and generated oxygen and hydrogen. In order to have a role of securing a flow path for oxygen and hydrogen as active materials at the same time as transferring electrons with the electrodes, titanium,
A porous body made of a material such as carbon is often used.

【0003】[0003]

【発明が解決しようとする課題】固体高分子電解質−触
媒複合電極が、水電解槽、および燃料電池において、良
好な特性を得るには、 1)広い電極/電解質界面を持ち、 2)電極/電解質界面の活物質の供給、および成生物の
排出がスムーズで 3)電極/電解質界面へのイオン伝導、特に、プロトン
伝導が良好で 4)電極/電解質界面への電子伝導が良好で あることが要求される。とりわけ、3)および4)項
は、水電解槽および燃料電池の内部抵抗に大きく寄与す
る非常に重要な項目である。つまり、プロトン伝導性、
および電子伝導性が悪いと、水電解槽では、電解電圧が
高くなり、燃料電池では、その出力が低下するなどのエ
ネルギー変換効率の低下を招くことになる。良好なプロ
トン伝導には、電極内の連続した固体電解質通路(電解
質チャンネル)の形成が、良好な電子伝導には、電極内
の連続した触媒粒子通路(電子伝導チャンネル)の形成
が必須条件となる。
The solid polymer electrolyte-catalyst composite electrode can obtain good characteristics in a water electrolyzer and a fuel cell by: 1) having a wide electrode / electrolyte interface; Smooth supply of active material at the electrolyte interface and discharge of adult organisms 3) Good ion conduction to the electrode / electrolyte interface, especially good proton conduction 4) Good electron conduction to the electrode / electrolyte interface. Required. In particular, items 3) and 4) are very important items that greatly contribute to the internal resistance of the water electrolyzer and the fuel cell. In other words, proton conductivity,
If the electron conductivity is poor, the electrolysis voltage increases in the water electrolyzer, and the energy conversion efficiency decreases in the fuel cell, such as a decrease in its output. The formation of continuous solid electrolyte passages (electrolyte channels) in the electrode is essential for good proton conduction, and the formation of continuous catalyst particle passages (electron conduction channels) in the electrode is essential for good electron conduction. .

【0004】これに対し、上記固体高分子電解質と触媒
粒子のみからなるタイプの場合、固体高分子電解質と触
媒粒子のみで電極が構成されているために、電極内に
は、十分な量の固体電解質と十分な量の触媒粒子の充填
が可能で、良好なプロトン伝導と、良好な電子伝導が期
待される。しかしながら、実際には高いプロトン伝導性
は得られるが、電子伝導性は低い。これは、触媒粒子と
固体高分子電解質溶液を混錬してペーストを作製する際
に、触媒粒子に電子伝導を持たない固体電解質被膜が形
成され、製膜しても触媒粒子と触媒粒子の接触界面に固
体電解質が介在して残り、連続した固体電解質通路(電
解質チャンネル)が形成されるものの、連続した触媒粒
子通路(電子伝導チャンネル)の形成が阻害されるため
である。
On the other hand, in the case of the type comprising only the solid polymer electrolyte and the catalyst particles, since the electrode is composed only of the solid polymer electrolyte and the catalyst particles, a sufficient amount of the solid is contained in the electrode. An electrolyte and a sufficient amount of catalyst particles can be filled, and good proton conduction and good electron conduction are expected. However, in practice, high proton conductivity is obtained, but electron conductivity is low. This is because when a paste is prepared by kneading the catalyst particles and the solid polymer electrolyte solution, a solid electrolyte film having no electron conduction is formed on the catalyst particles, and even when the film is formed, contact between the catalyst particles and the catalyst particles occurs. This is because the solid electrolyte remains at the interface and a continuous solid electrolyte passage (electrolyte channel) is formed, but the formation of a continuous catalyst particle passage (electron conduction channel) is hindered.

【0005】一方、PTFE粒子が加えられてなるタイ
プの場合、触媒粒子とPTFE粒子でなるペーストを製
膜してから固体高分子電解質溶液を含浸させることによ
り、触媒粒子と触媒粒子の接触界面での固体電解質の介
在を防止でき、連続した触媒粒子通路(電子伝導チャン
ネル)の形成による高い電子伝導性が期待できる。しか
しながら、実際には、期待されるほどの電子伝導性が得
られない。これは、結着剤として機能するPTFEの粒
子径が、触媒粒子径に比べ大きくなることが多く、電極
内で大きな体積を占めるようになり、電極内に十分な触
媒粒子が充填されなくなって電子伝導チャンネルの絶対
数が不足するためである。
On the other hand, in the case of a type in which PTFE particles are added, a paste composed of catalyst particles and PTFE particles is formed into a film and then impregnated with a solid polymer electrolyte solution. Thus, the presence of the solid electrolyte can be prevented, and high electron conductivity can be expected by forming continuous catalyst particle passages (electron conduction channels). However, in practice, the expected electron conductivity cannot be obtained. This is because the particle size of PTFE, which functions as a binder, is often larger than the catalyst particle size, occupies a large volume in the electrode, and the electrode is not sufficiently filled with the catalyst particle, and This is because the absolute number of conduction channels is insufficient.

【0006】そこで、一般に固体高分子電解質−触媒複
合電極をイオン交換膜−触媒電極接合体とし、水電解槽
または燃料電池に用いる際には、給電体(集電体)とし
て緻密で多孔質な焼結チタンまたは焼成カーボンを用い
る。これら給電体(集電体)は、チタン繊維やカーボン
繊維で構成されており、そのため、表面にはこれら繊維
による適度な凹凸がある。そして、その繊維が一部電極
内部まで進入してマクロ的に電子伝導チャンネルを形成
し、固体高分子電解質−触媒複合電極の電子伝導性を向
上させている。
Therefore, in general, a solid polymer electrolyte-catalyst composite electrode is used as an ion exchange membrane-catalyst electrode assembly, and when used in a water electrolysis tank or a fuel cell, a dense and porous power feeder (current collector) is used. Use sintered titanium or fired carbon. These power supply bodies (current collectors) are made of titanium fibers or carbon fibers, and therefore have moderate irregularities due to these fibers on the surface. The fibers partially enter the inside of the electrode to form a macroscopic electron conduction channel, thereby improving the electron conductivity of the solid polymer electrolyte-catalyst composite electrode.

【0007】図14は、チタン繊維からなる焼結チタン
により構成された給電体が当接された固体高分子電解質
−触媒複合電極の構造を説明する断面図であり、同図
(a)は断面図、(b)は断面の部分拡大図である。同
図に示されるように、この構造は、触媒粒子23、PT
FE粒子25、固体高分子電解質22より構成され、複
数個の細孔24を有する電極表面上に、加熱圧着により
給電体27が当接された構造となっており、該給電体2
7を構成する繊維28の一部が電極内部まで進入するこ
とで、電極内部にまで給電体繊維28による電子伝導部
が形成され、電極内のマクロ的な電子伝導性が保たれて
いる。しかし、ミクロ的には、上記のように触媒粒子間
に生じた細孔(空隙)や固体高分子電解質の存在により
電子伝導性は十分ではなく、電極単体ではその比抵抗が
例えば4.5×104mΩ・cmであり、これに上述の
ように給電体によりマクロ的な電子伝導チャネルを形成
しても、その電極の全体としての実質的な比抵抗は2×
104mΩ・cmとなるに過ぎず、固体高分子膜のそれ
(10mΩ・cm)と比較してもかなり大きく、そのた
めこのような電極を水電解装置や燃料電池に用いた場
合、水電解装置や燃料電池の有する内部抵抗のうちのか
なりの部分をこの電極の抵抗が占めることになってい
る。
FIG. 14 is a cross-sectional view for explaining the structure of a solid polymer electrolyte-catalyst composite electrode in contact with a feeder made of sintered titanium made of titanium fiber, and FIG. FIG. 2B is a partially enlarged view of a cross section. As shown in the figure, this structure is composed of catalyst particles 23, PT
The feeder 27 is constituted by the FE particles 25 and the solid polymer electrolyte 22, and a feeder 27 is brought into contact with the electrode surface having a plurality of pores 24 by heating and pressing.
When a part of the fiber 28 constituting the electrode 7 enters the inside of the electrode, an electron conductive portion is formed by the feeder fiber 28 to the inside of the electrode, and the macro electron conductivity in the electrode is maintained. However, microscopically, electron conductivity is not sufficient due to the presence of the pores (voids) generated between the catalyst particles and the solid polymer electrolyte as described above, and the specific resistance of the electrode alone is, for example, 4.5 ×. 10 4 mΩ · cm, and even if a macro electron conduction channel is formed by the feeder as described above, the actual specific resistance of the electrode as a whole is 2 ×.
It is only 10 4 mΩ · cm, which is considerably larger than that of the solid polymer membrane (10 mΩ · cm). Therefore, when such an electrode is used in a water electrolysis device or a fuel cell, the water electrolysis device The resistance of this electrode occupies a considerable part of the internal resistance of fuel cells and fuel cells.

【0008】以上に鑑み、本発明は、電子伝導度の大き
な固体高分子電解質−触媒複合電極を提供し、また、エ
ネルギー効率の改善された水電解装置、作動電圧特性の
改善された燃料電池を提供することを目的とする。
In view of the above, the present invention provides a solid polymer electrolyte-catalyst composite electrode having high electron conductivity, and a water electrolysis apparatus having improved energy efficiency and a fuel cell having improved operating voltage characteristics. The purpose is to provide.

【0009】[0009]

【課題を解決するための手段】本発明の固体高分子電解
質−触媒複合電極は、固体高分子電解質と触媒粒子とを
含んでなる多孔性の固体高分子電解質−触媒複合電極で
あって、固体高分子電解質層中のイオン伝導領域に電子
伝導性物質が担持されていることを特徴とするものであ
って、従来イオン伝導の通路(電解質チャンネル)の形
成の役割のみを担っていた固体電解質に、電子伝導の通
路(電子伝導チャンネル)の役割を同時に持たすこと
で、従来の固体高分子電解質−触媒複合電極に係る上述
の問題を解決しようとするものである。すなわち、固体
高分子電解質層中のイオン伝導領域に電子伝導性物質を
担持させることで、固体高分子電解質にイオン伝導性と
同時に電子伝導性を持たせ、固体高分子電解質−触媒複
合電極の電子伝導性を改善する。
The solid polymer electrolyte-catalyst composite electrode of the present invention is a porous solid polymer electrolyte-catalyst composite electrode comprising a solid polymer electrolyte and catalyst particles, and comprises: It is characterized in that an electron conductive substance is supported in an ion conductive region in a polymer electrolyte layer. Conventionally, a solid electrolyte that has only played a role of forming an ion conductive passage (electrolyte channel) is used. The present invention is intended to solve the above-mentioned problems of the conventional solid polymer electrolyte-catalyst composite electrode by simultaneously having a role of an electron conduction channel (electron conduction channel). That is, by supporting an electron conductive substance in the ion conductive region in the solid polymer electrolyte layer, the solid polymer electrolyte is provided with ion conductivity and electron conductivity at the same time. Improve conductivity.

【0010】上記固体高分子電解質は、イオン交換樹脂
からなるものが好ましく、この中でも内部抵抗の低いも
のが得やすいカチオン型のものが好ましく、特に、水電
解装置、燃料電池に用いる場合には、例えばパーフルオ
ロスルフォン酸型固体高分子電解質やスチレン−ジビニ
ルベンゼン系のスルフォン酸型固体高分子電解質等のプ
ロトン型のものがより好ましい。
The solid polymer electrolyte is preferably made of an ion-exchange resin, and among them, a cation-type polymer electrolyte having a low internal resistance is preferable. Particularly, when the solid polymer electrolyte is used for a water electrolysis apparatus or a fuel cell, For example, proton type ones such as perfluorosulfonic acid type solid polymer electrolyte and styrene-divinylbenzene type sulfonic acid type solid polymer electrolyte are more preferable.

【0011】また、本発明の水電解槽は、イオン伝導領
域に電子伝導性物質が担持された固体高分子電解質と触
媒粒子とを含んでなる多孔性の固体高分子電解質−触媒
複合電極と、該電極の表面に当接された給電体とを備え
てなることを特徴とする。
[0011] Further, the water electrolysis tank of the present invention comprises a porous solid polymer electrolyte-catalyst composite electrode comprising a solid polymer electrolyte in which an ion conductive region carries an electron conductive substance and catalyst particles; And a power supply body in contact with the surface of the electrode.

【0012】また、本発明の燃料電池は、イオン伝導領
域に電子伝導性物質が担持された固体高分子電解質と触
媒粒子とを含んでなる多孔性の固体高分子電解質−触媒
複合電極と、該電極の表面に当接されたガス拡散層を形
成する集電体とを備えてなることを特徴とする。
Further, the fuel cell of the present invention comprises a porous solid polymer electrolyte-catalyst composite electrode comprising a solid polymer electrolyte in which an ion conductive region carries an electron conductive substance and catalyst particles; A current collector for forming a gas diffusion layer in contact with the surface of the electrode.

【0013】[0013]

【発明の実施の形態】本発明の固体高分子電解質―触媒
複合電極は、主成分として固体高分子電解質と触媒粒子
とを含んでなるものであって、固体高分子に接触した触
媒粒子が3次元の広がりをもって分布し、さらに電極内
に多数の細孔を有するものであって、固体高分子電解質
層中のイオン伝導領域に電子伝導性物質が担持されてい
るものであるが、例えば、上記従来の方法により固体高
分子電解質と触媒粒子とを含んでなる多孔性の固体高分
子電解質―触媒複合電極本体を膜状に作製した後、該電
極本体中の固体高分子電解質層中に存在するイオン伝導
領域に電子伝導性物質を無電解メッキ法(例えば、鳥養
栄一 ,特公 昭58-47471、Raymond Liu, J. Electroch
em. Soc., 139, 15(1992)参照)により担持させて作製
することが出来る。このように、電極本体を作製した後
電子伝導性物質を担持させる方法は、簡便であり好まし
い。また、この電子伝導性物質担持の際、同時に電極細
孔内の表面に電子伝導性物質を担持させたり、電極本体
表面に電子導電性物質からなる層を形成したりすること
も可能であり、電極細孔内の表面にも電子伝導性物質が
担持さるようにすると一層電子伝導性が良くなり好まし
く、さらに、電極本体表面に電子伝導性物質からなる層
を形成するのも給配電性が良くなるのでなお一層好まし
い。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION The solid polymer electrolyte-catalyst composite electrode of the present invention comprises a solid polymer electrolyte and catalyst particles as main components. It is distributed with a dimensional spread and further has a large number of pores in the electrode, and an electron conductive substance is supported in the ion conductive region in the solid polymer electrolyte layer. After preparing a porous solid polymer electrolyte-catalyst composite electrode body comprising a solid polymer electrolyte and catalyst particles by a conventional method in the form of a film, it is present in the solid polymer electrolyte layer in the electrode body. Electron conductive material is applied to the ion conduction region by electroless plating (for example, Eiichi Toriyo, Japanese Patent Publication No. 58-47471, Raymond Liu, J. Electroch
em. Soc., 139, 15 (1992)). As described above, the method of supporting the electron conductive substance after the production of the electrode main body is simple and preferable. In addition, at the time of carrying the electron conductive substance, it is also possible to simultaneously carry the electron conductive substance on the surface inside the electrode pores, or to form a layer made of the electron conductive substance on the surface of the electrode body, It is preferable that the electron conductive material is also carried on the surface in the electrode pores, so that the electron conductivity is further improved. Further, it is also preferable to form a layer made of the electron conductive material on the surface of the electrode body, so that the power supply and distribution properties are good. Is more preferable.

【0014】固体高分子電解質がパーフルオロスルフォ
ン酸型の固体高分子電解質の場合、プロトン伝導は、親
水性の交換基の部分が水とともに集合して球状(直径約
40オンク゛ストローム)のクラスター(cluster)となって疎水性
のフルオロカーホ゛ンマトリックス中に分散し、それらが、10オンク゛ストロ
ーム程度のチャンネルで結ばれて3次元的に形成されたク
ラスターネットワ−クを通して行われると考えられてい
る。(例えば、このイオン伝導等に関する研究は、古く
からなされており、S.C.Yeo and A.Eisenberg.J.App
y.Polym.Sci.,21,875(1997)や、T.D.Gierk.Paper 483
presented at The Electrochemical Society Meetin
g,Atlanta,Georgia,October 9-14,1997やH.L.Yeger and
A.Steck,J.Electrochem.Soc.,128,1880(1981)や、Z.
Ogumi and T.Kuroe ,J.Electrochem.Soc.,132,2601(19
85 )等で詳しく報告されている。)このことから、固
体高分子電解質−触媒複合電極の固体高分子電解質のク
ラスターネットワ−ク内に電子伝導性物質が担持される
ことにより、電極内にミクロ的、3次元的電子伝導チャ
ンネルが形成され電極の電子伝導性が大きく向上し、良
い結果をもたらすこととなる。
In the case where the solid polymer electrolyte is a perfluorosulfonic acid type solid polymer electrolyte, the proton conduction shows a spherical (about 40 Å diameter) cluster in which hydrophilic exchange groups are assembled together with water. It is believed that they are dispersed in a hydrophobic fluorocarbon matrix, and are formed through a three-dimensionally formed cluster network connected by channels of about 10 angstroms. (For example, research on ionic conduction and the like has been performed for a long time, and SCYeo and A. Eisenberg. J. App.
y.Polym.Sci., 21,875 (1997), TDGierk.Paper 483
presented at The Electrochemical Society Meetin
g, Atlanta, Georgia, October 9-14, 1997 and HLYeger and
A.Steck, J. Electrochem. Soc., 128, 1880 (1981) and Z.
Ogumi and T. Kuroe, J. Electrochem. Soc., 132, 2601 (19
85). From this fact, the electron conductive substance is supported in the solid polymer electrolyte cluster network of the solid polymer electrolyte-catalyst composite electrode, thereby forming a microscopic, three-dimensional electron conduction channel in the electrode. As a result, the electron conductivity of the electrode is greatly improved, and good results are obtained.

【0015】電子伝導性物質としては、金属、導電性を
有する金属酸化物、導電性高分子等種々のものを利用す
ることができ、好ましくは、耐食性に優れ、触媒として
機能させることも可能なPt,Ir,Ru,Rh,Pd
等の白金族金属、IrO2,Ir23,RuO2,Ru2
3,RhO2,Rh23,PdO等の白金族金属酸化物
を用いるのが良い。また、耐食性に優れている点で金ま
たは炭素材料を用いてもよい。そして、これらの物質
は、例えば、電子伝導性物質となる金属イオンを固体高
分子電解質に吸着させた後これを還元する吸着還元法に
より担持させることが出来る。また、白金族金属の場
合、固体高分子電解質に白金族金属イオンを吸着せしめ
た後水素化硼素塩水溶液で処理しする無電解メッキ法を
用い、その水素化硼素塩水溶液濃度を濃くすることによ
って、固体高分子電解質に吸着した白金族金属イオンを
よりたくさん固体高分子電解質のクラスターネットワー
ク部に金属として残して担持させることもできる(例え
ば、P. Millet, J. Appl. Electrochem., 25, 233(199
5)参考)。この場合、特に水素化硼素塩水溶液濃度を2
×10-1mol/l以上とすることで、大半の白金族金属をク
ラスターネットワ−ク部に析出させることができ、電極
のミクロ的電子伝導性の向上により有効に働く。電極に
含まれる触媒粒子としては、カーボン粒子、パラジウ
ム、白金、ルテニウム等の白金族金属粒子、白金族金属
酸化物粒子や触媒元素の担持された炭素粒子等を用いる
事ができる。また、必要に応じてポリテトラフルオロエ
チレン(PTFE)粒子等の副成分が加えられても良
い。
As the electron conductive substance, various substances such as metals, conductive metal oxides, and conductive polymers can be used, and preferably, they have excellent corrosion resistance and can function as a catalyst. Pt, Ir, Ru, Rh, Pd
Platinum group metals such as IrO 2 , Ir 2 O 3 , RuO 2 , Ru 2
It is preferable to use a platinum group metal oxide such as O 3 , RhO 2 , Rh 2 O 3 , and PdO. Further, gold or a carbon material may be used because of its excellent corrosion resistance. These substances can be carried by, for example, an adsorption reduction method in which metal ions to be electron conductive substances are adsorbed to a solid polymer electrolyte and then reduced. In the case of the platinum group metal, the concentration of the boron borohydride solution is increased by using an electroless plating method in which the platinum group metal ion is adsorbed on the solid polymer electrolyte and then treated with an aqueous borohydride solution. Alternatively, a larger amount of platinum group metal ions adsorbed on the solid polymer electrolyte can be supported on the cluster network portion of the solid polymer electrolyte while leaving the metal as a metal (for example, P. Millet, J. Appl. Electrochem., 25, 233). (199
5) Reference). In this case, in particular, the concentration of the borohydride aqueous solution is set to 2
When the content is at least 10 -1 mol / l, most of the platinum group metal can be deposited on the cluster network portion, and it works more effectively by improving the microscopic electron conductivity of the electrode. As the catalyst particles contained in the electrode, carbon particles, platinum group metal particles such as palladium, platinum and ruthenium, platinum group metal oxide particles, carbon particles carrying a catalyst element, and the like can be used. Further, if necessary, auxiliary components such as polytetrafluoroethylene (PTFE) particles may be added.

【0016】本発明の固体高分子電解質―触媒複合電極
は、食塩電解装置、水電解槽、燃料電池等に用いること
が出来、水電解槽に用いる場合には、本発明の電極表面
に給電体が当接されて構成される。例えば、固体高分子
電解質膜であるイオン交換膜の両面に本発明の電極を接
合し、さらに電極表面に給電体を当接して構成される。
この場合、用いられる給電体としては、反応物質の供給
を妨げないように多孔性のもの、例えば従来用いられて
いる多孔性の焼結チタン、焼成カーボン等を用いること
ができるが、特には100μm以上の開口径を有するも
のが好ましく、給電体の凹凸によってピンホールが形成
されないように、電極表面に当接する面が平坦なものが
好ましく、材質としてはチタン、白金メッキまたは金メ
ッキを施したステンレス、チタン等が好ましい。
The solid polymer electrolyte-catalyst composite electrode of the present invention can be used for a salt electrolysis apparatus, a water electrolyzer, a fuel cell, and the like. Are abutted. For example, the electrode of the present invention is joined to both sides of an ion exchange membrane which is a solid polymer electrolyte membrane, and a power feeder is brought into contact with the electrode surface.
In this case, the power supply body used may be a porous one so as not to hinder the supply of the reactant, for example, a conventionally used porous sintered titanium, calcined carbon, etc. The one having the above opening diameter is preferable, and the one in contact with the electrode surface is preferably flat so that a pinhole is not formed by the unevenness of the power supply body.The material is titanium, platinum-plated or gold-plated stainless steel, Titanium and the like are preferred.

【0017】また、電極表面に電子伝導性物質からなる
層を形成する場合、電極膜の両面に電子伝導性物質層を
形成し、給電体の接触面のみならず、上記イオン交換膜
との接合面にも電子伝導性物質層が設けられるようにし
ても良い。なお、電子導伝性物質層はイオン交換膜との
接触面にのみ形成されるようにしても良い。また、水電
解槽として用いる場合には、触媒物質としては白金、イ
リジウム、白金−イリジウム合金、ルテニウム、白金―
ルテニウム合金が好ましい。
In the case where a layer made of an electron conductive material is formed on the electrode surface, an electron conductive material layer is formed on both surfaces of the electrode film, and not only on the contact surface of the power feeder but also on the above-mentioned ion exchange membrane. An electron conductive material layer may be provided on the surface. The electron conductive material layer may be formed only on the contact surface with the ion exchange membrane. When used as a water electrolyzer, platinum, iridium, platinum-iridium alloy, ruthenium, platinum-
Ruthenium alloys are preferred.

【0018】本発明の電極を燃料電池に用いる場合に
も、上記同様、本発明の電極表面にガス拡散層を形成す
る集電体が当接されて構成される。例えば、固体高分子
電解質膜であるイオン交換膜の両面に本発明の電極を接
合し、さらに電極表面に集電体を当接して構成される。
この場合も用いられる集電体としては、反応物質の供給
を妨げないように多孔性のもの、例えば従来用いられて
いる多孔性の焼結チタン、焼成カーボン等を用いること
ができるが、特には100μm以上の開口径を有するも
のが好ましく、集電体の凹凸によってピンホールが形成
されないように、電極表面に当接する面が平坦なものが
好ましく、材質としてはチタン、白金メッキまたは金メ
ッキを施したステンレス、チタン等が好ましい。また、
電極表面に電子伝導性物質からなる層を形成する場合、
電極膜の両面に電子伝導性物質層を形成し、集電体の接
触面のみならず、上記イオン交換膜との接合面にも電子
伝導性物質層が設けられるようにしても良い。なお、電
子導伝性物質層はイオン交換膜との接触面にのみ形成さ
れるようにしても良い。また、燃料電池として用いる場
合には、触媒物質としては白金、白金―ルテニウム合金
が好ましい。
When the electrode of the present invention is used in a fuel cell, a current collector for forming a gas diffusion layer is brought into contact with the electrode surface of the present invention in the same manner as described above. For example, the electrode of the present invention is joined to both sides of an ion exchange membrane which is a solid polymer electrolyte membrane, and a current collector is brought into contact with the electrode surface.
In this case, the current collector used may be a porous current collector that does not hinder the supply of the reactants, such as conventionally used porous sintered titanium and calcined carbon. The one having an opening diameter of 100 μm or more is preferable, and the one in contact with the electrode surface is preferably flat so that a pinhole is not formed by the unevenness of the current collector, and the material is titanium, platinum plating or gold plating. Stainless steel, titanium and the like are preferred. Also,
When forming a layer made of an electron conductive material on the electrode surface,
An electron conductive material layer may be formed on both surfaces of the electrode film so that the electron conductive material layer is provided not only on the contact surface of the current collector but also on the bonding surface with the ion exchange membrane. The electron conductive material layer may be formed only on the contact surface with the ion exchange membrane. When used as a fuel cell, the catalyst material is preferably platinum or a platinum-ruthenium alloy.

【0019】[0019]

【実施例】以下、実施例に基づいて本発明を説明する。DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS The present invention will be described below based on embodiments.

【0020】(実施例1)下記の手順により、固体高分
子電解質−触媒複合電極とこれを用いた水電解槽を作製
した。
Example 1 A solid polymer electrolyte-catalyst composite electrode and a water electrolysis tank using the same were produced by the following procedure.

【0021】イリジウム粒子と固体高分子電解質溶液
(アルドリッチ社製、Nafion溶液)を混錬し、ペースト
状にした後、4弗化エチレン・6弗化プロピレン共重合
体(FEP)フイルム上で製膜し、自然乾燥した。この
状態でのイリジウム粒子と固体高分子電解質溶液の重量
比率は8:92である。
Iridium particles and a solid polymer electrolyte solution (Nafion solution, manufactured by Aldrich) are kneaded to form a paste, and then a film is formed on a film of ethylene tetrafluoride-6-propylene copolymer (FEP). And dried naturally. In this state, the weight ratio of the iridium particles to the solid polymer electrolyte solution is 8:92.

【0022】次に、FEPフイルム上に形成されたこの
触媒層を、〔Pd(NH34〕Cl2溶液に2時間浸漬
して固体高分子電解質のクラスターネットワーク部に吸
着させた後、100〜120℃、30kg/c〓の圧力
下で、水素還元し、クラスターネットワーク部にパラジ
ウム(Pd)を坦持した。パラジウム坦持量は、固体高
分子電解質溶液1g当たり約2mgであった。〔境 哲
男、竹中 啓、大阪工業技術試験所、36、10(1985)参
照〕。
Next, the catalyst layer formed on the FEP film was immersed in a [Pd (NH 3 ) 4 ] Cl 2 solution for 2 hours to be adsorbed on the cluster network portion of the solid polymer electrolyte. Hydrogen reduction was performed at 〜120 ° C. under a pressure of 30 kg / cm 2, and palladium (Pd) was supported on the cluster network. The supported amount of palladium was about 2 mg per 1 g of the solid polymer electrolyte solution. [See Tetsuo Sakai, Kei Takenaka, Osaka Institute of Technology, 36, 10 (1985)].

【0023】以上の操作により得られた固体高分子電解
質−触媒複合電極を、パ−フルオロスルフォン酸型のイ
オン交換膜(デュポン社製、Nafion−115)の
両面に130℃のホットプレスにて接合し、イオン交換
膜−触媒電極接合体とした。このイオン交換膜−触媒電
極接合体を水電解槽ホルダーに装着した。また、比較の
為、上記クラスターネットワーク部へのパラジウム坦持
操作を行わなかった以外は本例のイオン交換膜−触媒電
極接合体と同じ構造のものを同様の水電解槽ホルダーに
装着し、両水電解槽のI−V特性を測定した。その結果
を図10に示す。
The solid polymer electrolyte-catalyst composite electrode obtained by the above operation is joined to both surfaces of a perfluorosulfonic acid type ion exchange membrane (Nafion-115, manufactured by DuPont) by hot pressing at 130 ° C. Thus, an ion exchange membrane-catalyst electrode assembly was obtained. This ion exchange membrane-catalyst electrode assembly was mounted on a water electrolysis tank holder. For comparison, the same structure as the ion-exchange membrane-catalyst electrode assembly of this example was attached to the same water electrolysis tank holder except that the operation of supporting palladium on the cluster network was not performed. The IV characteristics of the water electrolysis tank were measured. The result is shown in FIG.

【0024】同図より、本発明で得られた固体高分子電
解質−触媒複合電極を用いた水電解槽の特性は、従来の
ものに比べて非常に優れており、その主な要因は、 I
−V曲線の傾きから、電極内部の内部抵抗の低減による
ものであることがわかる。
From the figure, it can be seen that the characteristics of the water electrolyzer using the solid polymer electrolyte-catalyst composite electrode obtained by the present invention are much superior to those of the conventional one, and the main factor is that
From the slope of the −V curve, it can be seen that this is due to the reduction of the internal resistance inside the electrode.

【0025】(実施例2) 実施例電極A イリジウム粒子と固体高分子電解質溶液(アルト゛リッチ社
製、Nafion溶液)を混錬し、ペースト状にした後、 F
EP(4弗化エチレン・6弗化プロピレン共重合体)フィ
ルム上で製膜し、自然乾燥し、これにより固体高分子電解
質−触媒複合電極本体を作製した。電極平面形状は32
mm×32mmの正方形で、厚さは10μm、この状態
でのイリジウム粒子と固体高分子電解質との重量比率は
75:25であり、単位面積当たりのイリジウム含有量
は、電極1cm2当たり1.5mgであった。 つい
で、FEPフイルム上に形成されたこの固体高分子電解
質−触媒複合電極本体を、〔Pd(NH34〕Cl2
液に2時間浸漬し、固体高分子電解質のクラスターネッ
トワーク部に〔Pd(NH342+を吸着させた後、1
00〜120℃、30kg/c〓の圧力下でこれを水素
還元し、クラスターネットワーク部にパラジウム(P
d)を担持させた。パラジウム担持量は、固体高分子電
解質1g当たり約5mgであった。
(Example 2) Example electrode A: After kneading iridium particles and a solid polymer electrolyte solution (Nafion solution, manufactured by Altrich Co., Ltd.) to form a paste,
A film was formed on an EP (ethylene tetrafluoride / propylene hexafluoride copolymer) film and air-dried, thereby producing a solid polymer electrolyte-catalyst composite electrode body. The electrode plane shape is 32
mm × 32 mm square, 10 μm thick, the weight ratio of iridium particles to solid polymer electrolyte in this state is 75:25, and the iridium content per unit area is 1.5 mg / cm 2 of electrode. Met. Then, the solid polymer electrolyte-catalyst composite electrode body formed on the FEP film is immersed in a [Pd (NH 3 ) 4 ] Cl 2 solution for 2 hours, and [Pd ( NH 3 ) 4 ] 2+
This is reduced with hydrogen at 00 to 120 ° C. under a pressure of 30 kg / cm 2, and palladium (P
d) was carried. The supported amount of palladium was about 5 mg per 1 g of the solid polymer electrolyte.

【0026】以上の工程により作製された電極を実施例
電極Aとする。
The electrode manufactured by the above steps is referred to as an example electrode A.

【0027】図1は、実施例電極Aの構造を説明する断
面図である。同図に示されるように、本実施例の電極
は、固体高分子電解質2とイリジウム粒子である触媒粒
子3(平均粒子径5μm )とを含んでなる細孔4(孔径
はほぼ10μm 〜20μm の範囲にある)を多数有する
多孔性の固体高分子電解質−触媒複合電極であって、固
体高分子電解質2内部にクラスターネットワーク内にパ
ラジウムが担持されて形成されたパラジウムの電子伝導
チャネル1(チャネル径約50オンク゛ストローム)が形成され
た構造を有している。
FIG. 1 is a sectional view for explaining the structure of the electrode A of the embodiment. As shown in the figure, the electrode of this embodiment has a pore 4 (having a pore diameter of approximately 10 μm to 20 μm) including a solid polymer electrolyte 2 and catalyst particles 3 (average particle diameter of 5 μm) which are iridium particles. A porous solid polymer electrolyte-catalyst composite electrode having a large number of palladium particles in a cluster network inside the solid polymer electrolyte 2 (channel diameter). (About 50 angstroms).

【0028】実施例電極B まず、イリジウム粒子と固体高分子電解質溶液(アルト゛リッ
チ社製、Nafion溶液)を混錬し、ペースト状にした後、
FEPフィルム上で製膜し、自然乾燥し、これにより固体高
分子電解質−触媒複合電極本体を作製した。電極平面形
状は32mm×32mmの正方形で、厚さは10μm 、
この状態でのイリジウム粒子と固体高分子電解質との重
量比率は75:25であり、単位面積当たりのイリジウ
ム含有量は、電極1cm2当たり1.5mgであった。
Example Electrode B First, iridium particles and a solid polymer electrolyte solution (Nafion solution, manufactured by Altrich Co., Ltd.) were kneaded to form a paste.
A film was formed on an FEP film and air-dried, thereby producing a solid polymer electrolyte-catalyst composite electrode body. The electrode plane shape is a square of 32 mm × 32 mm, the thickness is 10 μm,
In this state, the weight ratio of the iridium particles to the solid polymer electrolyte was 75:25, and the iridium content per unit area was 1.5 mg per 1 cm 2 of the electrode.

【0029】次いで、FEPフィルム上に形成されたこの固
体高分子電解質−触媒複合電極本体を、1cc当たり2
mgのPtが含まれた〔Pt(NH34〕Cl2溶液1
00ccに12時間浸漬し、高分子電解質部に〔Pt
(NH342+イオンを吸着させた後、60℃、4×1
-1mol/lのNaBH4水溶液でこれを還元した。
Next, this solid polymer electrolyte-catalyst composite electrode body formed on the FEP film was
[Pt (NH 3 ) 4 ] Cl 2 solution 1 containing mg of Pt
Immersion for 12 hours in the polymer electrolyte part [Pt
(NH 3 ) 4 ] After adsorbing 2+ ions, 60 ° C., 4 × 1
It was reduced to at NaBH 4 aqueous solution 0 -1 mol / l.

【0030】さらに、この固体高分子電解質−触媒複合
電極本体をパ−フルオロスルフォン酸型のイオン交換膜
(デュポン社製、Nafion−112)の両面に13
0℃のホットプレスにて接合し、イオン交換膜−触媒電
極接合体を作製し、このイオン交換膜−触媒電極本体接
合体を図15に示すホルダ−に装着後、その両面に2.
5%H2PtCl6水溶液1ml、0.75%N24・2
HCl水溶液1mlおよび水8mlよりなるPtのめっ
き液を入れ、40℃水溶液中で12時間放置することによっ
て、本発明に係る固体高分子電解質−触媒複合電極とイ
オン交換膜とが接合されたイオン交換膜−触媒電極接合
体を作製した。この電極を実施例電極Bとする。なお、
図15において、29はイオン交換膜触媒電極接合体
を、30はホルダータンクを、31はパッキンを示す。
以上の工程により作製された電極を実施例電極Bとす
る。
Further, the solid polymer electrolyte-catalyst composite electrode main body was placed on both surfaces of a perfluorosulfonic acid type ion exchange membrane (Nafion-112, manufactured by DuPont).
Bonding was performed by hot pressing at 0 ° C. to produce an ion exchange membrane-catalyst electrode assembly, and this ion exchange membrane-catalyst electrode body assembly was mounted on a holder shown in FIG.
5% H 2 PtCl 6 aqueous solution 1ml, 0.75% N 2 H 4 · 2
A Pt plating solution consisting of 1 ml of an aqueous HCl solution and 8 ml of water was put therein, and left standing for 12 hours in an aqueous solution at 40 ° C., whereby the solid polymer electrolyte-catalyst composite electrode according to the present invention and the ion exchange membrane were joined. A membrane-catalyst electrode assembly was prepared. This electrode is referred to as Example electrode B. In addition,
In FIG. 15, 29 indicates an ion exchange membrane catalyst electrode assembly, 30 indicates a holder tank, and 31 indicates packing.
The electrode manufactured through the above steps is referred to as an example electrode B.

【0031】図2は、実施例電極Bの構造を説明する断
面図である。同図に示されるように、本実施例の電極
は、固体高分子電解質2とイリジウム粒子である触媒粒
子3(平均粒子径5μm )とを含んでなる細孔4(孔径
はほぼ10μm 〜20μm の範囲にある)を多数有する
多孔性の固体高分子電解質−触媒複合電極であって、固
体高分子電解質2内部にクラスターネットワーク内に白
金が担持されて形成された白金の電子伝導チャネル5
(チャネル径約50オンク゛ストローム)が形成され、さらに電
極内の細孔4内表面と電極表面に白金層6が形成される
ことによって電子伝導性物質である白金が担持された構
造となっている。そして、この電極がイオン交換膜7に
接合されている。尚、白金層6は、その膜厚が約0.5
μm で、微細な白金粒子が集まってなる多孔質膜であ
る。また、白金層6は、電極表面と細孔4内表面に形成
され、固体高分子電解質2表面のみならず、触媒粒子3
表面にも形成されている。
FIG. 2 is a sectional view for explaining the structure of the electrode B of the embodiment. As shown in the figure, the electrode of this embodiment has a pore 4 (having a pore diameter of approximately 10 μm to 20 μm) including a solid polymer electrolyte 2 and catalyst particles 3 (average particle diameter of 5 μm) which are iridium particles. A solid-state polymer electrolyte-catalyst composite electrode having a large number of platinum-conducting channels formed in the solid polymer electrolyte 2 by supporting platinum in a cluster network.
(A channel diameter of about 50 angstroms) and a platinum layer 6 formed on the inner surface of the pores 4 in the electrode and on the surface of the electrode to have a structure in which platinum, which is an electron conductive substance, is supported. This electrode is joined to the ion exchange membrane 7. The platinum layer 6 has a thickness of about 0.5
It is a porous film consisting of a collection of fine platinum particles of μm. In addition, the platinum layer 6 is formed on the electrode surface and the inner surface of the pores 4.
It is also formed on the surface.

【0032】本電極では、白金層6により電極のマクロ
的電子伝導性が、従来のように給電体の電極内への進入
がなくとも確保され、さらに、電子伝導チャネル5によ
りミクロ的な電子伝導チャンネルが形成され、従来電気
的接続の弱かった触媒粒子間の電子伝導上の接続が良好
になる。
In the present electrode, the macroscopic electron conductivity of the electrode is ensured by the platinum layer 6 even if the feeder does not enter the electrode as in the conventional case. Channels are formed, and the connection on the electron conduction between the catalyst particles, which was conventionally weak in electrical connection, is improved.

【0033】比較電極C イリジウム粒子と固体高分子電解質溶液(アルト゛リッチ社
製、Nafion溶液)を混錬し、ペースト状にした後、 F
EPフィルム上で製膜し、自然乾燥し、これにより固体高分
子電解質−触媒複合電極を作製した。この電極を比較電
極Cとする。比較電極Cの平面形状は32mm×32m
mの正方形で、厚さは10μm 、この状態でのイリジウ
ム粒子と固体高分子電解質との重量比率は75:25で
あり、単位面積当たりのイリジウム含有量は、電極1c
2当たり1.5mgであった。比較電極Cは、実施例
電極A、Bと比べて白金またはパラジウムの電子伝導チ
ャネルが形成されていない点を除いて同じ構造を有する
ものである。
Comparative electrode C: Iridium particles and a solid polymer electrolyte solution (Nafion solution, manufactured by Altrich Co., Ltd.) were kneaded to form a paste.
A film was formed on an EP film and air-dried, whereby a solid polymer electrolyte-catalyst composite electrode was prepared. This electrode is referred to as reference electrode C. The planar shape of the comparative electrode C is 32 mm x 32 m
m, the thickness is 10 μm, the weight ratio of iridium particles to the solid polymer electrolyte in this state is 75:25, and the iridium content per unit area is the electrode 1c.
1.5 mg per m 2 . The comparative electrode C has the same structure as the example electrodes A and B except that no platinum or palladium electron conduction channel is formed.

【0034】実施例電極A、B、比較電極Cの膜抵抗を
測定したところ、実施例電極A:0.4×104mΩ・
cm、実施例電極B:0.2×104mΩ・cm、比較
電極C:4.5×104mΩ・cmであった。
When the film resistances of the electrodes A and B and the comparative electrode C were measured, the electrode A of the example was 0.4 × 10 4 mΩ ·
cm, Example electrode B: 0.2 × 10 4 mΩ · cm, Comparative electrode C: 4.5 × 10 4 mΩ · cm.

【0035】水電解槽 上記実施例電極A、B、比較電極Cを用いて下記構造の
水電解槽を作製した。実施例電極A及び比較電極Cは、
これらをパ−フルオロスルフォン酸型のイオン交換膜
(デュポン社製、Nafion−112)の両面に13
0℃のホットプレスにて接合し、イオン交換膜−触媒電
極接合体を作製したのち、これを用いて水電解セルに組
み込んだ。実施例電極Bは、上記の実施例電極Bとイオ
ン交換膜とが接合されたイオン交換膜−触媒電極接合体
を用いて水電解槽に組み込んだ。
Water Electrolyzer A water electrolyzer having the following structure was prepared using the electrodes A and B and the comparative electrode C. Example electrode A and comparative electrode C
These were placed on both surfaces of a perfluorosulfonic acid type ion exchange membrane (Dafon, Nafion-112).
After bonding by a hot press at 0 ° C. to produce an ion exchange membrane-catalyst electrode assembly, the assembly was used in a water electrolysis cell. Example electrode B was assembled in a water electrolysis tank using an ion exchange membrane-catalyst electrode assembly in which the above example electrode B and the ion exchange membrane were joined.

【0036】図3は、この水電解槽の構造を示す概略構
造図である。同図に示されるように、本水電解槽は、イ
オン交換膜7の両面に電極8が接合されてなるイオン交
換膜−触媒電極接合体の電極8上に給電体9が当接さ
れ、周囲にパッキン12を配すると共にこれらにチタン
陽極板10、チタン陰極板11を圧接してなるものであ
る。給電体9は、チタン板(図中の点線)とエキスパン
ドチタン(図中の三角波状の線)とからなり、チタン板
は厚さ0.15mmのチタンの平板に図4に示されるよ
うにφ0.7×0.95P×60°の千鳥穴加工をフォトエッチンク゛によ
り施し(開孔率49%)、両面に0.15μmの白金メッキ
をおこなったもので、その上に2枚のエキスパンドチタ
ンが積層されたものである。この構造ではイオン交換膜
7に接合された電極8の表面に平坦面を有するチタン板
が接触するように構成されているため、給電体の電極接
触面は平坦で凹凸がなく、従来構造に見られるような電
極への給電体の進入はほとんど生じていない。
FIG. 3 is a schematic structural view showing the structure of this water electrolysis tank. As shown in the figure, in the present water electrolysis tank, a feeder 9 is brought into contact with an electrode 8 of an ion-exchange membrane-catalyst electrode assembly in which electrodes 8 are joined to both surfaces of an ion-exchange membrane 7. And a titanium anode plate 10 and a titanium cathode plate 11 are pressed against them. The power supply 9 is composed of a titanium plate (dotted line in the figure) and expanded titanium (triangular wave-shaped line in the figure). The titanium plate is a 0.15 mm-thick titanium flat plate as shown in FIG. .7 × 0.95P × 60 ° staggered hole processing by photo-etching (opening ratio 49%), both sides plated with 0.15μm platinum, on which two expanded titanium layers are laminated. It is a thing. In this structure, the titanium plate having a flat surface is configured to contact the surface of the electrode 8 bonded to the ion exchange membrane 7, so that the electrode contact surface of the power feeder is flat and has no irregularities, which is different from the conventional structure. Little penetration of the feeder into the electrodes as would occur.

【0037】図5に、これら水電解槽の電流―電圧特性
を示す。図中曲線Aは実施例電極Aを用いたもの、Bは
実施例電極Bを用いたもの、Cは比較電極Cを用いたも
の、Dは、比較電極Cを用い、給電体を多孔性の焼結チ
タンとしたものを示す。尚、チタン繊維焼結板は繊維径
約50μm 、孔径約50μm 〜100μm 、空隙率約7
0%、厚さ約1mmのものを用いた。
FIG. 5 shows the current-voltage characteristics of these water electrolysis tanks. In the figure, the curve A is the one using the example electrode A, B is the one using the example electrode B, C is the one using the comparison electrode C, D is the one using the comparison electrode C, and the feeder is porous. This shows what was made of sintered titanium. The titanium fiber sintered plate has a fiber diameter of about 50 μm, a pore diameter of about 50 μm to 100 μm, and a porosity of about 7 μm.
0% and a thickness of about 1 mm were used.

【0038】同図より、実施例電極Aを用いたものは、
同じ平坦なフォトエッチングの給電体を用いた比較電極
Cを用いた水電解槽の特性に比べ優れており、電解電圧
が低く、エネルギー変換効率が良い。また、チタン繊維
の焼結板を用いたものDの特性と同等である。これは、
本実施例の電極内のクラスターネットワーク部に形成さ
れたPdのミクロ的電子伝導チャンネルにより電極の比
抵抗が低減され、電極との接面が平坦な給電体を用いて
も電極内部にまで電子の授受がなされ、水電解槽全体の
抵抗が小さく保たれていることによる。
As can be seen from FIG.
It is superior to the characteristics of a water electrolysis tank using a comparative electrode C using the same flat photo-etching feeder, and has a low electrolysis voltage and good energy conversion efficiency. In addition, the characteristics are the same as those of D using a sintered plate of titanium fiber. this is,
The specific resistance of the electrode is reduced by the Pd micro-electron conduction channel formed in the cluster network portion in the electrode according to the present embodiment, and even if a feeder having a flat contact surface with the electrode is used, electrons can reach inside the electrode. This is because the exchange was performed and the resistance of the entire water electrolysis tank was kept low.

【0039】さらに、実施例電極Bを用いたものは、チ
タン繊維の焼結板を用いたものDの特性に比べても優れ
ており、電解電圧が低く、エネルギー変換効率が良い。
これは、上述の電極のミクロ的電子伝導の向上(この場
合Ptのミクロ的電子伝導チャネルによる)のみなら
ず、電極表層およびに細孔内表面に形成された白金層に
より電極のマクロ的電子伝導およびミクロ適電子伝導が
向上したことによる相乗効果によるものである。
Further, the electrode using the electrode B of the embodiment is superior to the electrode D using the sintered plate of titanium fiber, and has a low electrolytic voltage and good energy conversion efficiency.
This is because not only the above-mentioned enhancement of the micro-electron conduction of the electrode (in this case, by the micro-electron conduction channel of Pt), but also the macro-electron conduction of the electrode by the platinum layer formed on the electrode surface layer and the inner surface of the pores. This is due to a synergistic effect due to the improvement in microelectronic conduction.

【0040】(実施例3)下記の手順により、固体高分
子電解質−触媒複合電極、およびこれを用いた燃料電池
を作製した。
Example 3 A solid polymer electrolyte-catalyst composite electrode and a fuel cell using the same were produced by the following procedure.

【0041】白金を30wt%担持したカーボン粉体と
PTFE分散溶液を混錬し、ペースト状にした後、FE
Pフィルム上で製膜した後、120℃で2時間加熱乾燥
した。
After kneading a carbon powder carrying 30 wt% of platinum and a PTFE dispersion solution to form a paste,
After forming a film on a P film, it was dried by heating at 120 ° C. for 2 hours.

【0042】自然冷却後、パーフルオロスルフォン酸型
の高分子電解質(アルドリッチ社製、Nafion溶液)を散
布、含浸させ、自然乾燥させた。この状態での白金担持
カーボン、PTFE,固体高分子電解質の重量比率は、
60:22:18である。
After natural cooling, a perfluorosulfonic acid type polymer electrolyte (Nafion solution, manufactured by Aldrich) was sprayed, impregnated, and air-dried. In this state, the weight ratio of platinum-supported carbon, PTFE, and solid polymer electrolyte is
60:22:18.

【0043】FEPフイルム上に形成されたこの触媒層
を、〔Pd(NH34〕Cl2 溶液に2時間浸漬して固
体高分子電解質のクラスターネットワーク部に吸着させ
た後、100〜120℃、30kg/c〓の圧力下で、
水素還元し、クラスターネットワーク部にパラジウム
(Pd)を坦持した。パラジウム坦持量は、固体高分子
電解質溶液1g当たり約2mgであった。
The catalyst layer formed on the FEP film was immersed in a [Pd (NH 3 ) 4 ] Cl 2 solution for 2 hours to be adsorbed on the cluster network portion of the solid polymer electrolyte. Under a pressure of 30 kg / cm
After hydrogen reduction, palladium (Pd) was supported on the cluster network. The supported amount of palladium was about 2 mg per 1 g of the solid polymer electrolyte solution.

【0044】以上の操作により得られた固体高分子電解
質−触媒複合電極を、パ−フルオロスルフォン酸型のイ
オン交換膜(デュポン社製、Nafion−115)の
両面に130℃のホットプレスにて接合し、イオン交換
膜−触媒電極接合体とした。このイオン交換膜−触媒電
極接合体の外側両面にガス拡散層となる撥水処理を施し
た多孔性カーボンペーパーを同じくホットプレスにて接
合し、燃料電池ホルダーに装着した。また、比較の為、
上記クラスターネットワーク部へのパラジウム坦持操作
を行わなかった以外は本例のイオン交換膜−触媒電極接
合体と同じ構造のものを同様の燃料電池ホルダーに装着
し、両燃料電池のI−V特性を測定した。その結果を図
11に示す。
The solid polymer electrolyte-catalyst composite electrode obtained by the above operation was joined to both surfaces of a perfluorosulfonic acid type ion exchange membrane (Nafion-115, manufactured by DuPont) by hot pressing at 130 ° C. Thus, an ion exchange membrane-catalyst electrode assembly was obtained. Porous carbon paper, which had been subjected to a water-repellent treatment to serve as a gas diffusion layer, was joined to both outer surfaces of the ion-exchange membrane-catalyst electrode assembly by a hot press in the same manner, and mounted on a fuel cell holder. Also, for comparison,
The same structure as the ion-exchange membrane-catalyst electrode assembly of this example was mounted on a similar fuel cell holder except that the palladium loading operation on the cluster network was not performed, and the IV characteristics of both fuel cells were measured. Was measured. The result is shown in FIG.

【0045】同図より、本発明で得られた固体高分子電
解質−触媒複合電極を用いた燃料電池の特性は、従来の
ものに比べて非常に優れており、その主な要因は、 I
−V曲線の傾きから、電極内部の内部抵抗の低減による
ものであることがわかる。
As can be seen from the figure, the characteristics of the fuel cell using the solid polymer electrolyte-catalyst composite electrode obtained by the present invention are much superior to those of the conventional fuel cell.
From the slope of the −V curve, it can be seen that this is due to the reduction of the internal resistance inside the electrode.

【0046】(実施例4) 実施例電極E まず、白金を30wt%担持したカーボン粉体とPTF
E粒子分散溶液を混錬し、ペースト状にした後、4弗化
エチレン・6弗化フ゜ロヒ゜レン共重合体(FEP)フィルム上で製膜
した後、120℃で2時間加熱乾燥した。次いで、自然冷却
後、ハ゜ーフルオロスルフォン酸型の高分子電解質(アルト゛リッチ社製、N
afion溶液)を散布、含浸させ、自然乾燥させ、これに
より固体高分子電解質−触媒複合電極本体を作製した。
電極平面形状は32mm×32mmの正方形で、厚さは
10μm 、この状態での白金担持カーボン、PTFE,
固体高分子電解質の重量比率は、60:22:18であ
り、単位面積当たりの白金含有量は、電極1cm2当た
り0.1mgであった。
(Example 4) Example electrode E First, carbon powder carrying 30 wt% of platinum and PTF
The E particle dispersion was kneaded to form a paste, and then formed on a tetrafluoroethylene-6-fluorofluoropropylene copolymer (FEP) film, followed by heating and drying at 120 ° C for 2 hours. Then, after natural cooling, a perfluorosulfonic acid type polymer electrolyte (Aldrich, N
afion solution) was sprinkled, impregnated, and air-dried to prepare a solid polymer electrolyte-catalyst composite electrode body.
The electrode has a square shape of 32 mm × 32 mm and a thickness of 10 μm. In this state, platinum-supported carbon, PTFE,
The weight ratio of the solid polymer electrolyte was 60:22:18, and the platinum content per unit area was 0.1 mg / cm 2 of the electrode.

【0047】次いで、FEPフイルム上に形成されたこ
の固体高分子電解質−触媒複合電極本体を、〔Pd(N
34〕Cl2 溶液に2時間浸漬し、固体高分子電解質
のクラスターネットワーク部に〔Pd(NH342+
吸着させた後、100〜120℃、30kg/c〓の圧
力下でこれを水素還元し、クラスターネットワーク部に
パラジウム(Pd)を担持させた。パラジウム担持量
は、固体高分子電解質1g当たり約5mgであった。
Then, the solid polymer electrolyte-catalyst composite electrode body formed on the FEP film was replaced with [Pd (N
H 3) 4] Cl 2 solution was immersed for 2 hours, after which the solid polymer in the cluster network of electrolyte [Pd (NH 3) 4] 2+ was adsorbed, 100 to 120 ° C., a pressure of 30kg / C〓 This was hydrogen-reduced below, and palladium (Pd) was supported on the cluster network. The supported amount of palladium was about 5 mg per 1 g of the solid polymer electrolyte.

【0048】以上の工程により作製された電極を実施例
電極Eとする。
The electrode manufactured by the above steps is referred to as an example electrode E.

【0049】図6は、実施例電極Eの構造を説明する断
面図である。同図に示されるように、本実施例の電極
は、固体高分子電解質2と白金担持カーボン粉体からな
る触媒粒子13(粒子径0.21μm 以下)とPTFE
粒子14(平均粒子径0.5μm )を含んでなる細孔4
(孔径はほぼ5μm 〜20μm の範囲にある)を多数有
する多孔性の固体高分子電解質−触媒複合電極であっ
て、固体高分子電解質2内部にクラスターネットワーク
内にパラジウムが担持されて形成されたパラジウムの電
子伝導チャネル1(チャネル径約50オンク゛ストローム)が形
成された構造を有している。
FIG. 6 is a sectional view for explaining the structure of the electrode E of the embodiment. As shown in the figure, the electrode of the present embodiment is composed of a solid polymer electrolyte 2 and catalyst particles 13 (particle diameter 0.21 μm or less) composed of platinum-supported carbon powder and PTFE.
Pores 4 comprising particles 14 (average particle diameter 0.5 μm)
A porous solid polymer electrolyte-catalyst composite electrode having a large number of pores (having a pore diameter in a range of approximately 5 μm to 20 μm), wherein palladium is formed by supporting palladium in a cluster network inside the solid polymer electrolyte 2. The electron conduction channel 1 (having a channel diameter of about 50 Å) is formed.

【0050】実施例電極F 実施例電極Eを電極母体とし、これをパ−フルオロスル
フォン酸型のイオン交換膜(デュポン社製、Nafio
n−112)の両面に130℃のホットプレスにて接合
し、イオン交換膜−触媒電極母体接合体を作製し、この
イオン交換膜−触媒電極母体接合体を図15に示すホル
ダ−に装着後、その両面に2.5%H2PtCl6水溶液
1ml、0.75%N24・2HCl水溶液1mlおよ
び水8mlよりなるPtのめっき液を入れ、40℃水溶液
中で12時間放置することによって、本発明に係る固体高
分子電解質−触媒複合電極とイオン交換膜とが接合され
たイオン交換膜−触媒電極接合体を作製した。この電極
を実施例電極Fとする。
Example electrode F The example electrode E was used as an electrode matrix, and was used as a perfluorosulfonic acid type ion exchange membrane (Nafio, manufactured by DuPont).
n-112) by hot pressing at 130 ° C. to produce an ion-exchange membrane-catalyst electrode matrix assembly, and mounting the ion-exchange membrane-catalyst electrode matrix assembly on the holder shown in FIG. A Pt plating solution consisting of 1 ml of a 2.5% H 2 PtCl 6 aqueous solution, 1 ml of a 0.75% N 2 H 4 .2HCl aqueous solution and 8 ml of water was put on both sides thereof, and left standing at 40 ° C. aqueous solution for 12 hours. Then, an ion exchange membrane-catalyst electrode assembly in which the solid polymer electrolyte-catalyst composite electrode according to the present invention and the ion exchange membrane were bonded was produced. This electrode is referred to as Example electrode F.

【0051】図7は、実施例電極Fとイオン交換膜とが
接合された本例イオン交換膜−触媒電極接合体の構造を
説明する断面図である。同図に示されるように、本実施
例の電極は、固体高分子電解質2と白金担持カーボン粉
体からなる触媒粒子13(粒子径0.21μm 以下)と
PTFE粒子14(平均粒子径0.5μm )とを含ん
でなり、孔径がほぼ5μm 〜20μm の範囲にある細孔
を多数有する多孔性の固体高分子電解質−触媒複合電極
であって、固体高分子電解質2内部にクラスターネット
ワーク内に白金が担持されて形成された白金の電子伝導
チャネル1(チャネル径約50オンク゛ストローム)が形成さ
れ、さらに電極内の細孔4内表面と電極表面に白金層1
5が形成されることによって電子伝導性物質である白金
が担持された構造となっている。尚、白金層15は、そ
の膜厚が約1μmで、微細な白金粒子が集まってなる多
孔質膜である。また、白金層15は、電極表面と細孔4
内表面に形成され、固体高分子電解質2表面のみなら
ず、触媒粒子13表面にも形成されている。そしてこの
電極がイオン交換膜7に接合されている。
FIG. 7 is a sectional view for explaining the structure of the ion-exchange membrane-catalyst electrode assembly of the present example in which the electrode F of the embodiment and the ion-exchange membrane are joined. As shown in the figure, the electrode of this embodiment is composed of a solid polymer electrolyte 2 and catalyst particles 13 (particle diameter 0.21 μm or less) composed of platinum-supporting carbon powder and PTFE particles 14 (average particle diameter 0.5 μm). A solid polymer electrolyte-catalyst composite electrode having a large number of pores having a pore diameter in the range of approximately 5 μm to 20 μm, wherein platinum is contained in the solid polymer electrolyte 2 in the cluster network. An electron conduction channel 1 (channel diameter of about 50 angstroms) of platinum formed by being carried is formed, and a platinum layer 1 is formed on the inner surface of the pores 4 in the electrode and on the surface of the electrode.
By forming No. 5, a structure in which platinum which is an electron conductive substance is supported is obtained. The platinum layer 15 is a porous film having a thickness of about 1 μm and formed by collecting fine platinum particles. The platinum layer 15 is formed between the electrode surface and the pores 4.
It is formed on the inner surface and is formed not only on the surface of the solid polymer electrolyte 2 but also on the surface of the catalyst particles 13. This electrode is joined to the ion exchange membrane 7.

【0052】比較電極G 白金を30wt%担持したカーボン粉体とPTFE分散
溶液を混錬し、ペースト状にした後、4弗化エチレン・6弗
化フ゜ロヒ゜レン共重合体(FEP)フィルム上で製膜した後、120
℃で2時間加熱乾燥した。次いで、自然冷却後、ハ゜ーフルオロ
スルフォン酸型の高分子電解質(アルト゛リッチ社製、Nafion溶液)
を散布、含浸させ、自然乾燥させ、これにより固体高分
子電解質−触媒複合電極本体を作製した。電極平面形状
は32mm×32mmの正方形で、厚さは10μm 、こ
の状態での白金担持カーボン、PTFE,固体高分子電
解質の重量比率は、60:22:18であり、単位面積
当たりの白金含有量は、電極1cm2当たり0.1mg
であった。比較電極Gは、実施例電極E、Fと比べて白
金またはパラジウムの電子伝導チャンネルが形成されて
いない点を除いて同じ構造を有するものである。
Comparative electrode G A carbon powder carrying 30 wt% of platinum and a PTFE dispersion were kneaded to form a paste, and then a film was formed on an ethylene tetrafluoride-6-fluorofluoropropylene copolymer (FEP) film. After that, 120
It was dried by heating at ℃ for 2 hours. Then, after natural cooling, a perfluorosulfonic acid type polymer electrolyte (Alfrich, Nafion solution)
Was sprayed, impregnated, and air-dried, thereby producing a solid polymer electrolyte-catalyst composite electrode body. The planar shape of the electrode is a square of 32 mm × 32 mm, the thickness is 10 μm, and the weight ratio of platinum-supported carbon, PTFE, and solid polymer electrolyte in this state is 60:22:18, and the platinum content per unit area Is 0.1 mg per cm 2 of electrode
Met. The comparative electrode G has the same structure as the example electrodes E and F, except that no platinum or palladium electron conduction channel is formed.

【0053】実施例電極E、F、比較電極Gの膜抵抗を
測定したところ、実施例電極E:2.5×104mΩ・
cm、実施例電極F:2.0×104mΩ・cm、比較
電極G:7.5×104mΩ・cmであった。
When the film resistances of the electrodes E and F and the comparative electrode G were measured, the electrode E of the example was 2.5 × 10 4 mΩ ·
cm, Example electrode F: 2.0 × 10 4 mΩ · cm, Comparative electrode G: 7.5 × 10 4 mΩ · cm.

【0054】燃料電池 実施例電極E、F、比較電極Gを用いて下記構造の燃料
電池を作製した。実施例電極E及び比較電極Gは、これ
らをパ−フルオロスルフォン酸型のイオン交換膜(デュ
ポン社製、Nafion−112)の両面に130℃の
ホットプレスにて接合し、イオン交換膜−触媒電極接合
体を作製したのち、これを用いて燃料電池に組み込ん
だ。実施例電極Fは、上記の実施例電極Fとイオン交換
膜とが接合されたイオン交換膜−触媒電極接合体を用い
て燃料電池に組み込んだ。
Fuel Cell A fuel cell having the following structure was manufactured using the electrodes E and F and the comparative electrode G. Example electrode E and comparative electrode G were bonded to both surfaces of a perfluorosulfonic acid-type ion exchange membrane (Nafion-112, manufactured by DuPont) by hot pressing at 130 ° C. to obtain an ion exchange membrane-catalyst electrode. After the assembly was manufactured, it was used in a fuel cell. Example electrode F was assembled in a fuel cell using an ion exchange membrane-catalyst electrode assembly in which the above example electrode F and the ion exchange membrane were bonded.

【0055】図8は、この燃料電池の構造を示す概略構
造図である。同図に示されるように、本燃料電池は、イ
オン交換膜16の両面に電極17が接合されてなるイオ
ン交換膜−触媒電極接合体の電極17上にガス拡散層を
形成する集電体18が当接され、周囲にパッキン21を
配すると共にこれらにグラファイト正極板19、グラフ
ァイト負極板20を圧接してなるものである。集電体1
8は、チタン板(図中の点線)とエキスパンドチタン
(図中の三角波状の線)とからなり、チタン板は厚さ
0.15mmのチタンの平板に図4に示されるようにφ
0.7×0.95P×60°の千鳥穴加工をフォトエッチンク゛により施し
(開孔率49%)、両面に0.15μmの白金メッキをおこ
なったもので、その上に2枚のエキスパンドチタンが積
層されたものである。この構造ではイオン交換膜16に
接合された電極17の表面に平坦面を有するチタン板が
接触するように構成されているため、集電体の電極接触
面は平坦で凹凸がなく、従来構造に見られるような電極
への集電体の進入はほとんど生じていない。
FIG. 8 is a schematic structural view showing the structure of this fuel cell. As shown in the figure, the present fuel cell includes a current collector 18 which forms a gas diffusion layer on an electrode 17 of an ion exchange membrane-catalyst electrode assembly in which electrodes 17 are bonded to both surfaces of an ion exchange membrane 16. And a packing 21 is disposed around the graphite positive electrode plate 19 and the graphite negative electrode plate 20 under pressure. Current collector 1
Numeral 8 is composed of a titanium plate (dotted line in the figure) and expanded titanium (triangular wave-shaped line in the figure). The titanium plate is a 0.15 mm-thick titanium plate as shown in FIG.
0.7 × 0.95P × 60 ° zigzag processing with Photo Etching
(Opening ratio: 49%) Platinum plating of 0.15 μm on both surfaces, on which two expanded titanium layers are laminated. In this structure, the titanium plate having a flat surface is configured to be in contact with the surface of the electrode 17 bonded to the ion-exchange membrane 16, so that the electrode contact surface of the current collector is flat and has no irregularities. Little penetration of the current collector into the electrode as can be seen.

【0056】図9に、これら燃料電池の電流―電圧特性
を示す。図中曲線Eは実施例電極Eを用いたもの、Fは
実施例電極Fを用いたもの、Gは比較電極Gを用いたも
の、Hは、比較電極Gを用い、集電体を撥水処理を施し
た焼成カーボンペーパーとし、これをホットプレスにて
接合したものを示す。尚、焼成カーボンペーパーは繊維
径約10μm 、孔径約50μm〜100μm 、空隙率約
70%、厚さ約1mmのものを用いた。
FIG. 9 shows current-voltage characteristics of these fuel cells. In the figure, the curve E is the one using the example electrode E, F is the one using the example electrode F, G is the one using the comparison electrode G, H is the one using the comparison electrode G, and the current collector is made water-repellent. A baked carbon paper treated and joined by hot pressing is shown. The calcined carbon paper used had a fiber diameter of about 10 μm, a pore diameter of about 50 μm to 100 μm, a porosity of about 70%, and a thickness of about 1 mm.

【0057】同図より、実施例電極Eを用いたものは、
同じ平坦なフォトエッチングの集電体を用いた比較電極
Gを用いた燃料電池の特性に比べ優れており、作動電圧
の低下が少なく、焼成カーボンペーパーを用いたものH
の特性と同等である。これは、本実施例の電極内のクラ
スターネットワーク部に形成されたパラジウム(Pd)
のミクロ的電子伝導チャンネルにより電極の比抵抗が低
減され、電極との接面が平坦な集電体を用いても電極内
部にまで電子の授受がなされ、水電解槽全体の抵抗が小
さく保たれていることによる。
As can be seen from the figure, the electrode using the embodiment electrode E is
It is superior to the characteristics of a fuel cell using a comparative electrode G using the same flat photo-etched current collector, has a small decrease in operating voltage, and uses fired carbon paper H
It is equivalent to the characteristic of This is because palladium (Pd) formed in the cluster network portion in the electrode of the present embodiment
The micro-electron conduction channel reduces the specific resistance of the electrode, and even if a current collector with a flat contact surface with the electrode is used, electrons can be transferred even inside the electrode, keeping the overall resistance of the water electrolysis tank low. It depends.

【0058】さらに、実施例電極Fを用いたものは、焼
成カーボンペーパーを用いたものHの特性に比べても優
れており、作動電圧の低下が少ない。これは、上述の電
極のミクロ的電子伝導の向上のみならず、電極表層およ
びに細孔内表面に形成された白金層により電極のマクロ
的電子伝導およびミクロ適電子伝導が向上したことによ
る相乗効果によるものである。
Further, the electrode using the electrode F of the embodiment is superior to the electrode H using the fired carbon paper, and the operating voltage is hardly reduced. This is due not only to the improvement in the microelectron conduction of the electrode described above, but also to the synergistic effect due to the improvement in macroelectron conduction and micro-electron proper electron conduction of the electrode due to the platinum layer formed on the electrode surface layer and on the inner surface of the pores. It is due to.

【0059】[0059]

【発明の効果】本発明の固体高分子電解質−触媒複合電
極によれば、電子伝導度が大きく抵抗の小さい固体高分
子電解質−触媒複合電極が得られ、例えば、水電解槽に
用いることで、電解電圧を小さくし、エネルギー効率の
向上が可能となり、また、燃料電池に用いることにより
作動電圧の低下を抑制しながら取り出し電流を大きくす
ることが可能となる。さらに、焼結チタンや焼成カーボ
ン等の給電体(集電体)を用いて電極内に給電体(集電
体)を浸入させなくとも十分な給電ができるため、平坦
面を有する給電体(集電体)を用いることが可能とな
り、これによりイオン交換膜を薄くした場合のピンホー
ルの発生を防ぐことが可能となり、エネルギー変換効率
を向上でき、安全性も大幅に向上出来る。さらに、緻密
な構造の給電体(集電体)を用いることなく十分な給電
が可能となる。
According to the solid polymer electrolyte-catalyst composite electrode of the present invention, a solid polymer electrolyte-catalyst composite electrode having high electron conductivity and low resistance can be obtained. It is possible to reduce the electrolysis voltage and improve the energy efficiency, and it is possible to increase the extraction current while suppressing the decrease in the operating voltage by using the fuel cell. Furthermore, since a sufficient power supply can be performed using a power supply (current collector) such as sintered titanium or calcined carbon without penetrating the power supply (current collector) into the electrode, a power supply (collector) having a flat surface is provided. This makes it possible to prevent the occurrence of pinholes when the ion exchange membrane is made thinner, thereby improving energy conversion efficiency and greatly improving safety. Further, sufficient power supply is possible without using a power supply body (current collector) having a dense structure.

【0060】本発明の水電解槽によれば、電解電圧を小
さくしエネルギー変換効率を向上できる。また、例えば
緻密な構造を有する多孔焼結チタン等を給電体として用
いた場合、電極に水を供給する為に高い水圧が必要とな
り、高圧ポンプ等水を供給する為の装置が大掛かりとな
るという問題が有ったが、本発明の水電解槽において、
給電体として、粗なエキスパンドTiやフォトエッチン
グTi等の粗い給電体を用いることにより、水電解槽内
の電極への供給水圧を低く出来、高圧ポンプを用いる必
要のない全体として小さなシステムを構築できる。
According to the water electrolysis tank of the present invention, the electrolysis voltage can be reduced and the energy conversion efficiency can be improved. In addition, for example, when porous sintered titanium having a dense structure or the like is used as a power feeder, a high water pressure is required to supply water to the electrodes, and a device for supplying water such as a high-pressure pump becomes large-scale. Although there was a problem, in the water electrolysis tank of the present invention,
By using a coarse power feeder such as coarse expanded Ti or photo-etched Ti as a power feeder, the pressure of water supplied to the electrodes in the water electrolysis tank can be reduced, and a small system as a whole can be constructed without using a high-pressure pump. .

【0061】本発明の燃料電池によれば、作動電圧の低
下を抑制しながら電流を大きくでき、出力を大きくする
ことができる。また、例えば緻密な構造を有する多孔焼
成カーボンを集電体として用いた場合、通常その厚さが
0.5mm〜1.0mmもあるため、供給燃料の酸素や
水素等の電極への拡散が円滑でなく、さらに集電体中に
生成物の水が滞留し、より一層供給燃料の電極への拡散
が阻害されるという問題が有ったが、 本発明の燃料電
池において、集電体として粗なエキスパンドTiやフォ
トエッチングTi等の粗い集電体を用いることにより、
燃料電池内でのガスの拡散をスムーズにできるととも
に、生成物の水の滞留を防止でき、エネルギー変換効率
を大きく出来る。
According to the fuel cell of the present invention, the current can be increased while suppressing the decrease in the operating voltage, and the output can be increased. In addition, for example, when porous calcined carbon having a dense structure is used as a current collector, the thickness of the current collector is usually 0.5 mm to 1.0 mm, so that diffusion of oxygen or hydrogen of the supplied fuel to the electrode is smooth. In addition, there is a problem that water of the product stays in the current collector, further inhibiting the diffusion of the supplied fuel to the electrode. By using a coarse current collector such as expanded Ti or photo-etched Ti,
The gas can be smoothly diffused in the fuel cell, the product water can be prevented from staying, and the energy conversion efficiency can be increased.

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

【図1】 実施例電極Aの構造を説明する断面図であ
る。
FIG. 1 is a cross-sectional view illustrating a structure of an example electrode A.

【図2】 実施例電極Bとイオン交換膜とが接合された
本例イオン交換膜−触媒電極接合体の構造を説明する断
面図である。
FIG. 2 is a cross-sectional view illustrating a structure of an ion-exchange membrane-catalyst electrode assembly of the present example in which an electrode B of an example and an ion-exchange membrane are joined.

【図3】 水電解槽の構造を示す概略構造図である。FIG. 3 is a schematic structural view showing a structure of a water electrolysis tank.

【図4】 チタン板4の千鳥穴加工図である。FIG. 4 is a diagram showing a zigzag hole processing of the titanium plate 4;

【図5】 水電解槽の電流―電圧特性を示す図である。FIG. 5 is a diagram showing current-voltage characteristics of a water electrolysis tank.

【図6】 実施例電極Eの構造を説明する断面図であ
る。
FIG. 6 is a cross-sectional view illustrating a structure of an example electrode E.

【図7】 実施例電極Fとイオン交換膜とが接合された
本例イオン交換膜−触媒電極接合体の構造を説明する断
面図である。
FIG. 7 is a cross-sectional view illustrating the structure of an ion-exchange membrane-catalyst electrode assembly of the present example in which the electrode F of the example and the ion-exchange membrane are joined.

【図8】 燃料電池の構造を示す概略構造図である。FIG. 8 is a schematic structural view showing the structure of a fuel cell.

【図9】 燃料電池の電流―電圧特性を示す図である。FIG. 9 is a diagram showing current-voltage characteristics of a fuel cell.

【図10】 水電解槽の電流―電圧特性を示す図であ
る。
FIG. 10 is a diagram showing current-voltage characteristics of a water electrolysis tank.

【図11】 燃料電池の電流―電圧特性を示す図であ
る。
FIG. 11 is a diagram showing current-voltage characteristics of a fuel cell.

【図12】 従来の電極の断面構造図である。FIG. 12 is a sectional structural view of a conventional electrode.

【図13】 従来の電極の断面構造図である。FIG. 13 is a sectional structural view of a conventional electrode.

【図14】 焼結チタンにより構成された給電体が当接
された固体高分子電解質−触媒複合電極の構造を説明す
る断面図である。
FIG. 14 is a cross-sectional view illustrating the structure of a solid polymer electrolyte-catalyst composite electrode in contact with a feeder made of sintered titanium.

【図15】メッキのためのホルダ−の構造図である。FIG. 15 is a structural view of a holder for plating.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1、5 電子伝導チャネル 2、22 固体高分子電解質 3、13、23 触媒粒子 4、24 細孔 6、15 白金層 7、16 イオン交換膜 8、17、26 電極 9 給電体 18 集電体 10 陽極板 11 陰極板 11 白金担持カーボン粒子 14、25 PTFE粒子 19 正極板 20 負極板 1,5 Electron conduction channel 2,22 Solid polymer electrolyte 3,13,23 Catalyst particles 4,24 Pores 6,15 Platinum layer 7,16 Ion exchange membrane 8,17,26 Electrode 9 Feeder 18 Current collector 10 Anode plate 11 Cathode plate 11 Platinum-supported carbon particles 14, 25 PTFE particles 19 Positive plate 20 Negative plate

Claims (4)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】固体高分子電解質と触媒粒子とを含んでな
る多孔性の固体高分子電解質−触媒複合電極であって、
固体高分子電解質層中のイオン伝導領域に電子伝導性物
質が担持されていることを特徴とする固体高分子電解質
−触媒複合電極。
1. A porous solid polymer electrolyte-catalyst composite electrode comprising a solid polymer electrolyte and catalyst particles,
A solid polymer electrolyte-catalyst composite electrode, wherein an electron conductive substance is supported in an ion conductive region in the solid polymer electrolyte layer.
【請求項2】固体高分子電解質がハ゜ーフルオロスルフォン酸型の固
体高分子電解質であって、該固体高分子電解質層内のク
ラスターネットワーク部に、電子伝導性物質が担持され
ていることを特徴とする請求項1記載の高分子電解質−
触媒複合電極。
2. The solid polymer electrolyte is a perfluorosulfonic acid type solid polymer electrolyte, wherein an electron conductive substance is supported on a cluster network portion in the solid polymer electrolyte layer. The polymer electrolyte according to claim 1,
Catalyst composite electrode.
【請求項3】イオン伝導領域に電子伝導性物質が担持さ
れた固体高分子電解質と触媒粒子とを含んでなる多孔性
の固体高分子電解質−触媒複合電極と、該電極の表面に
当接された給電体とを備えてなることを特徴とする水電
解槽。
3. A porous solid polymer electrolyte-catalyst composite electrode comprising a solid polymer electrolyte in which an electron conductive substance is supported in an ion conduction region and catalyst particles; A water electrolysis tank, comprising:
【請求項4】イオン伝導領域に電子伝導性物質が担持さ
れた固体高分子電解質と触媒粒子とを含んでなる多孔性
の固体高分子電解質−触媒複合電極と、該電極の表面に
当接されたガス拡散層を形成する集電体とを備えてなる
ことを特徴とする燃料電池。
4. A porous solid polymer electrolyte-catalyst composite electrode comprising a solid polymer electrolyte in which an ion conductive region carries an electron conductive substance and catalyst particles, and a porous solid polymer electrolyte-catalyst composite electrode which is in contact with the surface of the electrode. And a current collector forming a gas diffusion layer.
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