JPH09180727A - Fuel cell electrode, manufacturing method and device thereof - Google Patents
Fuel cell electrode, manufacturing method and device thereofInfo
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- JPH09180727A JPH09180727A JP7353454A JP35345495A JPH09180727A JP H09180727 A JPH09180727 A JP H09180727A JP 7353454 A JP7353454 A JP 7353454A JP 35345495 A JP35345495 A JP 35345495A JP H09180727 A JPH09180727 A JP H09180727A
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Abstract
(57)【要約】
【課題】電極の触媒層の厚みを均一にし且つ最適な厚み
を任意に決定できるのに加え、電極製造過程における熱
処理や乾燥工程で触媒層にひび割れをなくし、さらに高
い性能を有する電池を得る。
【解決手段】ガス拡散層上に(A)触媒粉末及び電解質
を含む触媒層、または(B)触媒粉末、電解質及び撥水
化剤を含む触媒層を担持させてなる燃料電池用電極であ
って、該触媒層が触媒粒子及び非イオン界面活性剤を含
む粘度の高いスラリー、または触媒粒子、撥水化剤及び
非イオン界面活性剤を含む粘度の高いスラリーを膜厚を
制御しながらガス拡散層に塗布した後、熱処理をし、次
いでその塗布面に電解質を含浸させることにより得られ
た触媒層である燃料電池用電極、その製造方法及び装
置。
(57) Abstract: In addition to making the thickness of the catalyst layer of the electrode uniform and determining the optimum thickness arbitrarily, cracks are eliminated in the catalyst layer during heat treatment and drying process in the electrode manufacturing process, and higher performance is achieved. To obtain a battery having Kind Code: A1 An electrode for a fuel cell in which (A) a catalyst layer containing a catalyst powder and an electrolyte, or (B) a catalyst layer containing a catalyst powder, an electrolyte and a water repellent agent is carried on a gas diffusion layer. A gas diffusion layer in which the catalyst layer comprises a high-viscosity slurry containing catalyst particles and a nonionic surfactant, or a high-viscosity slurry containing catalyst particles, a water repellent and a nonionic surfactant while controlling the film thickness. A fuel cell electrode, which is a catalyst layer obtained by applying a heat treatment to a substrate and then impregnating the coated surface with an electrolyte, and a method and apparatus for producing the same.
Description
【0001】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、燃料電池用電極、
その製造方法及び装置に関し、より詳しくはガス拡散層
上に、(A)触媒粉末及び電解質を含む触媒層、または
(B)触媒粉末、電解質及び撥水化剤を含む触媒層を担
持させてなる形式の燃料電池用電極、その製造方法及び
装置に関する。TECHNICAL FIELD The present invention relates to a fuel cell electrode,
More specifically, the production method and the apparatus therefor include, on a gas diffusion layer, (A) a catalyst layer containing a catalyst powder and an electrolyte, or (B) a catalyst layer containing a catalyst powder, an electrolyte and a water repellent agent. TECHNICAL FIELD The present invention relates to a fuel cell electrode of a type, a manufacturing method and apparatus thereof.
【0002】[0002]
【従来の技術】燃料電池、例えば固体高分子電解質型燃
料電池はイオン伝導体すなわち電解質が固体で且つ高分
子である点に特徴を有し、その固体高分子電解質として
は具体的にはイオン交換樹脂膜等が使用され、この電解
質膜を挟んで負極及び正極の両電極を配置し、例えば負
極側に水素を供給し、また正極側には酸素又は空気を供
給することで電気化学反応を起こさせ、電気を発生させ
る。この場合その固体高分子電解質膜に接する負極及び
正極の両電極としてはその中に反応を促進させるために
白金、パラジウムその他の触媒が添加、使用される形式
のものがあるが、この形式の電極の製造法としてはこれ
まで種々のものが提案されてきている。2. Description of the Related Art A fuel cell, for example, a solid polymer electrolyte type fuel cell is characterized in that an ionic conductor, that is, an electrolyte is a solid and a polymer. A resin film or the like is used, and both the negative electrode and the positive electrode are arranged with the electrolyte film sandwiched between them.For example, hydrogen is supplied to the negative electrode side, and oxygen or air is supplied to the positive electrode side to cause an electrochemical reaction. And generate electricity. In this case, for both the negative electrode and the positive electrode in contact with the solid polymer electrolyte membrane, there is a type in which platinum, palladium and other catalysts are added and used in order to accelerate the reaction. Various manufacturing methods have been proposed so far.
【0003】例えば米国特許第3134697号には、
触媒粒子をイオン交換樹脂と混合して電極シートとし、
これを固体高分子電解質としてのイオン交換樹脂膜に熱
圧着する方法が記載され、また米国特許第329748
4号や米国特許第3432355号では触媒粒子をポリ
テトラフルオロエチレンと混合して電極シートとし、こ
れをイオン交換樹脂膜に熱圧着する方法が記載されてい
る。しかしこのように固体高分子電解質膜と電極シート
とを熱圧着等によりそのまま接合するだけでは反応サイ
ト(反応域)が電解質と電極との二次元的な界面に極限
され、実質的な作用面積が少ない。For example, in US Pat. No. 3,134,697,
The catalyst particles are mixed with an ion exchange resin to form an electrode sheet,
A method of thermocompression bonding this to an ion exchange resin membrane as a solid polymer electrolyte is described, and US Pat. No. 329748.
No. 4 and U.S. Pat. No. 3,432,355 describe a method in which catalyst particles are mixed with polytetrafluoroethylene to form an electrode sheet, which is then thermocompression bonded to an ion exchange resin membrane. However, just by joining the solid polymer electrolyte membrane and the electrode sheet as they are by thermocompression bonding or the like, the reaction site (reaction region) is limited to the two-dimensional interface between the electrolyte and the electrode, and the substantial working area is reduced. Few.
【0004】これを改善する手法の一つとして、電極材
料と固体電解質材料との接点を多くし、反応サイトの三
次元化を図ることが提案されている。例えば「電気化
学」53、No.10(1985)、P.812〜81
7によれば、固体高分子電解質膜としてパーフルオロカ
ーボンスルホン酸樹脂膜の一種であるNAFIONー1
17膜(Du Pont社製、商品名)を用い、このN
AFION膜の片面に無電解メッキ法(浸透法)により
白金電極を接合して水素極(アノード、燃料極)とする
一方、この電極の対極を構成する酸素極(空気極)すな
わちカソード側電極については、概略以下の工程により
製作されている。As one of the techniques for improving this, it has been proposed to increase the number of contact points between the electrode material and the solid electrolyte material to make the reaction site three-dimensional. For example, “Electrochemistry” 53, No. 10 (1985); 812-81
According to No. 7, NAFION-1 which is a kind of perfluorocarbon sulfonic acid resin membrane as a solid polymer electrolyte membrane.
Using 17 membranes (trade name, manufactured by Du Pont),
A platinum electrode is bonded to one side of the AFION film by an electroless plating method (permeation method) to form a hydrogen electrode (anode, fuel electrode), while an oxygen electrode (air electrode) that constitutes the counter electrode of this electrode, that is, a cathode side electrode. Is manufactured by the following steps.
【0005】まず、触媒粉末として白金ブラック粉末又
は10%の白金を担持したカーボン粉末を使用し、これ
にアンバーライトIRー120B(Tー3)〔スチレン
ージビニルベンゼンスルホン酸樹脂、Na型、粒経30
μmの粉末、Organo社製、商品名〕又はNAFI
ONー117〔パーフルオロカーボンスルホン酸樹脂
(H型)、脂肪族アルコールと水との混合溶媒中5%溶
液、Aldrich Chemical社製、商品名〕
を種々の混合比で混合する。First, platinum black powder or carbon powder carrying 10% platinum was used as catalyst powder, and Amberlite IR-120B (T-3) [styrene-divinylbenzene sulfonic acid resin, Na type, granules] Sutra 30
μm powder, manufactured by Organo, trade name] or NAFI
ON-117 [perfluorocarbon sulfonic acid resin (H type), 5% solution in a mixed solvent of aliphatic alcohol and water, manufactured by Aldrich Chemical Co., trade name]
Are mixed in various mixing ratios.
【0006】次いで上記で得た各混合物に対してポリテ
トラフルオロエチレンを水懸濁液状で加えて混練した
後、この混練物をロール圧延により圧延してシート状と
し、真空乾燥後、この電極シートを固体高分子電解質膜
としてのNAFION膜に対し温度100℃、圧力21
0kg/cm2 でホットプレスするというものである。
そしてそこでは、固体高分子電解質膜としてのNAFI
ON膜に一体に接合された酸素極にイオン交換樹脂を混
入することで電極反応サイトの三次元化を図り、分極特
性を著しく向上させている。Next, polytetrafluoroethylene was added to each mixture obtained above in the form of an aqueous suspension and kneaded, and then the kneaded product was rolled by roll rolling to form a sheet, which was vacuum dried and then the electrode sheet was formed. To a NAFION membrane as a solid polymer electrolyte membrane at a temperature of 100 ° C. and a pressure of 21
Hot pressing is performed at 0 kg / cm 2 .
And there, NAFI as a solid polymer electrolyte membrane
By mixing an ion exchange resin into the oxygen electrode integrally bonded to the ON film, the electrode reaction site is made three-dimensional and the polarization characteristics are remarkably improved.
【0007】以上の技術では、その電極シートは何れも
電極材料の混練物を圧延等の手法によりシート化するこ
とで作製されているが、この種の電極シートの作製法と
してはその基材として別途多孔性のペーパー又はシート
を用い、これに触媒粒子を担持させる態様も行われてい
る。例えば特開平4ー162365号では、シート状触
媒層構成用の微粉末として白金触媒担持のカーボンブラ
ック粒子と触媒無担持のカーボンブラック粒子との混合
物を用い、この粒子を高分子電解質(イオン交換樹脂)
でコーティングし、この粒子混合物を基材としての撥水
化カーボンペーパー上に散布し、加熱下、プレスをする
ことにより付着させている。In the above technique, all of the electrode sheets are produced by forming a kneaded product of the electrode material into a sheet by a method such as rolling. Another mode is also used in which a porous paper or sheet is separately used and catalyst particles are carried on the porous paper or sheet. For example, in JP-A-4-162365, a mixture of carbon black particles carrying a platinum catalyst and carbon black particles carrying no catalyst is used as a fine powder for forming a sheet-like catalyst layer, and the particles are used as a polymer electrolyte (ion exchange resin). )
The particle mixture is sprayed on a water repellent carbon paper as a base material, and is pressed by heating to adhere the carbon paper.
【0008】このようにして得られた電極シートは、撥
水化カーボンペーパーがガス拡散層を形成し、この片面
上に付着されたコーティング触媒粒子の層が触媒層とな
り、燃料電池への組み込むに際しては、触媒層側を高分
子電解質膜面に当接させることになる。その触媒層のガ
ス拡散層上への付着の仕方としては、そのようなプレス
法のほか、塗装法やロール法、ドクターブレード法等が
適用し得るが、このうち塗装法では大面積化が困難であ
り、またロール法やドクターブレード法では各種手間を
要するだけではなく、装置自体が高価である。In the electrode sheet thus obtained, the water-repellent carbon paper forms a gas diffusion layer, and the layer of coated catalyst particles adhered on one side of this becomes a catalyst layer, which is incorporated into a fuel cell. Causes the catalyst layer side to contact the polymer electrolyte membrane surface. As a method of adhering the catalyst layer onto the gas diffusion layer, in addition to such a pressing method, a coating method, a roll method, a doctor blade method, etc. can be applied, but it is difficult to increase the area by the coating method. In addition, the roll method and the doctor blade method not only require various troubles, but also the apparatus itself is expensive.
【0009】このため本発明者は、コーティング触媒粒
子を撥水化カーボンペーパー等のガス拡散層上へ付着さ
せるその仕方として、特に濾過形式を応用した手法すな
わちそのガス拡散層(撥水化カーボンペーパー等)上に
触媒粒子を含む触媒層形成用水溶液を注ぎ、加圧濾過な
いし吸引濾過する手法に注目し、これに関連する成果を
先に開発し出願している(特開平7ー130377
号)。For this reason, the present inventor has found that as a method for adhering the coated catalyst particles onto a gas diffusion layer such as water-repellent carbon paper, a method applying a filtering method, that is, the gas diffusion layer (water-repellent carbon paper) is used. Etc.), paying attention to a method of pouring an aqueous solution for forming a catalyst layer containing catalyst particles onto the mixture and carrying out pressure filtration or suction filtration, and the results related thereto have been previously developed and filed (JP-A-7-130377).
issue).
【0010】上記出願に係る発明は、固体高分子型燃料
電池用電極の製造法において、例えば撥水化カーボンペ
ーパーを基材とし、これに高分子電解質で被覆された触
媒粒子にポリテトラフルオロエチレンのディスパージョ
ンを混合した懸濁液を濾過形式で適用するに当たり、そ
の懸濁液を希硫酸中に分散させることにより行うことを
特徴とするものである。この技術はこのようにその懸濁
液自体に着目し、これを改善したものであるが、これに
よりこの工程を経て得られる電極の特性を向上させ、延
いて電池の性能を大幅に改善している。The invention according to the above-mentioned application is a method for producing an electrode for a polymer electrolyte fuel cell, wherein, for example, water repellent carbon paper is used as a base material and polytetrafluoroethylene is used as catalyst particles coated with the polymer electrolyte. When the suspension mixed with the dispersion of 1. is applied by filtration, it is performed by dispersing the suspension in dilute sulfuric acid. This technique is an improvement of this technique, focusing on the suspension itself in this way, but this improves the characteristics of the electrode obtained through this process and, in turn, significantly improves the battery performance. There is.
【0011】ところで、上記濾過法では例えば撥水化カ
ーボンペーパー面へのその触媒粒子の付着をより確実に
し、さらにその粒子をその撥水化カーボンペーパー面の
内部へも混入させること等のため、分散液をそのように
ただ注ぐだけではなく、下方から減圧するいわゆる吸引
濾過形式や上方から加圧する形式で行うこともできる
が、例えばヌッツェ(ブフナー漏斗)形式等ではその規
模ないしは大きさに限度があり、均一な層を形成できな
いばかりか、処理面の大面積化は困難である。By the way, in the above-mentioned filtration method, for example, the adhesion of the catalyst particles to the surface of the water repellent carbon paper is made more reliable, and the particles are mixed into the surface of the water repellent carbon paper. It is possible not only to just pour the dispersion liquid in that way, but also to perform it in a so-called suction filtration system in which the pressure is reduced from below, or in a system in which pressure is applied from above. Therefore, it is difficult to form a uniform layer and it is difficult to increase the area of the treated surface.
【0012】本発明者は、さらにこのような問題を解決
するため、ガス拡散層上に触媒層を担持させてなる燃料
電池用の電極を製造するに当たり、触媒粒子を含む溶液
を中空筒状体とその上面がロート状に形成された下板を
用い、加圧濾過を応用することによりガス拡散層上に触
媒層を均等に堆積させる燃料電池の電極製造方法及び装
置を先に開発している(特願平6ー309931号)。
図1〜図2はこの電極製造方法及び装置の一態様を示す
ものである。In order to solve such a problem, the present inventor has prepared a solution containing catalyst particles in a hollow cylindrical body in manufacturing an electrode for a fuel cell in which a catalyst layer is supported on a gas diffusion layer. And a lower plate whose upper surface is formed in a funnel shape, and has previously developed a method and an apparatus for manufacturing an electrode of a fuel cell in which a catalyst layer is uniformly deposited on a gas diffusion layer by applying pressure filtration. (Japanese Patent Application No. 6-309931).
1 to 2 show one embodiment of this electrode manufacturing method and apparatus.
【0013】図1中、1は中空筒状体であり、この断面
形状は図2(a)のような円形状とは限らず、長方形、
四角形や五角形その他の多角形をしたものでも使用可能
である。この中空筒状体1は、図2(a)のとおり竪型
に配置されるが、その材質としてはガラス製、金属製等
適宜のものを使用することができる。また図中、2は上
板、3は下板、4、5はそれぞれ上方及び下方のパッキ
ンであり、6はコンプレッサーである。このうちパッキ
ン4及び5は、中空筒状体の上下周縁部の形状に合わせ
た形状に構成され、例えば中空筒状体が円筒状である場
合には、その上下周縁部に対応して円環状に構成され
る。In FIG. 1, reference numeral 1 denotes a hollow cylindrical body whose cross-sectional shape is not limited to a circular shape as shown in FIG.
A quadrangle, a pentagon, or any other polygonal shape can also be used. The hollow cylindrical body 1 is arranged in a vertical shape as shown in FIG. 2 (a), but as the material thereof, an appropriate material such as glass or metal can be used. In the figure, 2 is an upper plate, 3 is a lower plate, 4 and 5 are upper and lower packings, respectively, and 6 is a compressor. Of these, the packings 4 and 5 are configured to match the shape of the upper and lower peripheral portions of the hollow cylindrical body. For example, when the hollow cylindrical body is cylindrical, the packings 4 and 5 have an annular shape corresponding to the upper and lower peripheral portions thereof. Is composed of.
【0014】また、上板2には、濾過する溶液を導入す
る管(バルブ付)7、過剰圧時に空気を放出する管(バ
ルブ付)8を備え、容器内の内圧を上昇させるコンプレ
ッサー6からの圧縮空気を導入する管9が連結されてい
る。10は下板3の中央部に設けられた溶媒排出口、1
1は下板3に一体に取り付けられた脚部であり、12は
溶液から触媒層が堆積されるガス拡散板である。このガ
ス拡散板12は、中空円筒体1の下部開口縁部とパッキ
ン5の間に挟持され、これをフィルターとしてその上面
に溶液中の溶質すなわち触媒粒子が堆積されることにな
る。In addition, the upper plate 2 is provided with a pipe (with a valve) 7 for introducing a solution to be filtered and a pipe (with a valve) 8 for discharging air when the pressure is excessive, and a compressor 6 for increasing the internal pressure in the container. A pipe 9 for introducing the compressed air is connected. 10 is a solvent outlet provided in the central portion of the lower plate 3, 1
Reference numeral 1 is a leg portion integrally attached to the lower plate 3, and 12 is a gas diffusion plate on which a catalyst layer is deposited from a solution. The gas diffusion plate 12 is sandwiched between the lower opening edge of the hollow cylindrical body 1 and the packing 5, and the solute in the solution, that is, catalyst particles is deposited on the upper surface of the packing 5 as a filter.
【0015】下板3は、図2(b)中に点線で示すとお
り、好ましくはロート状に構成される。これにより濾過
後の溶媒がスムーズに流れるようになっている。下板3
の上面をこのようにロート状に構成することにより、中
空筒状体1等の他の構成とも相まち、濾過後の溶媒が溶
媒排出口に向かってスムーズに流れる。またその操作中
に堆積物の厚みに分布が生じても厚い部分では流れが悪
くなり、触媒粒子の堆積速度が落ちるため、全体として
均一な層とすることができる。その傾斜の程度はこのよ
うな作用効果を得る上で必要な限度で適宜設定すること
ができる。The lower plate 3 is preferably formed in a funnel shape as shown by a dotted line in FIG. 2 (b). This allows the solvent after filtration to flow smoothly. Lower plate 3
By configuring the upper surface of the above in a funnel shape in this manner, the solvent after filtration smoothly flows toward the solvent outlet, in contrast with other configurations such as the hollow cylindrical body 1. Further, even if a distribution of the thickness of the deposit is generated during the operation, the flow becomes worse in the thick portion and the deposition rate of the catalyst particles decreases, so that a uniform layer can be formed as a whole. The degree of the inclination can be appropriately set within a limit necessary for obtaining such an effect.
【0016】その概略以上の装置を操作するに際して
は、中空円筒体1中に触媒粒子を含む溶液をその収容容
器から導管7を介して供給し、コンプレッサー6により
圧縮空気を導入して中空円筒体1内を加圧状態として操
作する。この場合、その加圧の程度は装置の規模(中空
筒体1の径、高さ等)、触媒粒子を含む溶液の流動性、
ガス拡散板12自体の強度等の諸性質、下板3上面のロ
ート状傾斜の程度等の如何により適宜選定できるが、通
常、例えば中空円筒体1の直径が30cm、高さ5cm
程度の場合には0.1kg/cm2 G(ゲージ圧)以下
で実施される。In operating the above apparatus, a solution containing catalyst particles in the hollow cylindrical body 1 is supplied from its container via a conduit 7 and compressed air is introduced by a compressor 6 to form a hollow cylindrical body. The inside of 1 is operated under pressure. In this case, the degree of pressurization depends on the scale of the apparatus (diameter, height, etc. of the hollow cylinder 1), fluidity of the solution containing the catalyst particles,
The gas diffusion plate 12 itself can be appropriately selected depending on various properties such as strength and the degree of the funnel-shaped inclination of the upper surface of the lower plate 3. Normally, for example, the hollow cylindrical body 1 has a diameter of 30 cm and a height of 5 cm.
In the case of about 0.1 kg / cm 2 G (gauge pressure) or less.
【0017】加圧濾過を応用した以上の電極製造方法及
び装置によれば、100cm2 以上の大面積であっても
均一でしかもガス拡散性能のよい優れた電極を得ること
ができる。またその製造時に溶媒が通過した細孔がガス
の拡散路となるという利点もあり、さらにこの装置によ
れば他の触媒層成膜装置に比べて非常に安価であるなど
優れた効果が得られる。またガス拡散板(層)は、電極
自体の基材ともなるもので、この材料としては好ましく
は撥水化カーボンペーパーが使用される。According to the above electrode manufacturing method and apparatus to which pressure filtration is applied, it is possible to obtain an excellent electrode which is uniform and has a good gas diffusion performance even in a large area of 100 cm 2 or more. Further, there is also an advantage that the pores through which the solvent passes during the production thereof become a gas diffusion path, and further, this device has an excellent effect such as being extremely inexpensive as compared with other catalyst layer film forming devices. . The gas diffusion plate (layer) also serves as a base material of the electrode itself, and as this material, water repellent carbon paper is preferably used.
【0018】さらに触媒粒子を含む溶液としては、白
金ブラック粒子や白金担持カーボンブラック粒子と固体
高分子電解質の溶液とを混合して得た懸濁液、、の
懸濁液に結合剤(撥水化剤でもある)としてポリテトラ
フルオロエチレン系ポリマーを混合してなる懸濁液等の
触媒層を形成する溶液を使用するが、前述特願平5ー2
97280号の発明のようにその懸濁液を希硫酸水溶液
に分散させたものを使用すれば、両者の効果を併わせも
つ効果を得ることができる。Further, as the solution containing catalyst particles, a suspension obtained by mixing platinum black particles or platinum-supporting carbon black particles with a solution of a solid polymer electrolyte, and a binder (water repellent) A solution for forming a catalyst layer, such as a suspension obtained by mixing a polytetrafluoroethylene-based polymer, is used as the agent (also as an agent).
If the suspension is dispersed in a dilute sulfuric acid aqueous solution as in the invention of No. 97280, an effect having both effects can be obtained.
【0019】ところで、以上で述べた触媒層の原料は、
(A)触媒粉末及び電解質、或いは(B)触媒粉末、電
解質及び撥水化剤であり、これらを水を溶媒としてスラ
リーとし、加圧濾過法によりガス拡散層上に堆積させる
ことで、上述のように有効な優れた効果が得られる。し
かしこうして得られた触媒層をさらに詳細に観察する
と、その濾過に際して水の通過が生じるため、触媒層中
に水の通過する部分が残り(前記のとおりこれがガスの
拡散路ともなるという利点もあるが)、この部分は電池
操作時に水の凝集が起こりやすく、ガスの拡散を阻害す
る要因となっていることが観察された。By the way, the raw materials for the catalyst layer described above are
(A) a catalyst powder and an electrolyte, or (B) a catalyst powder, an electrolyte and a water repellent agent, which are made into a slurry with water as a solvent, and are deposited on the gas diffusion layer by a pressure filtration method, thereby So effective and excellent effect can be obtained. However, when observing the catalyst layer thus obtained in more detail, water passes through during the filtration, so that a portion through which water passes remains in the catalyst layer (this also has an advantage that it also serves as a gas diffusion path. However, it was observed that this part was likely to cause aggregation of water during the operation of the battery, which was a factor inhibiting gas diffusion.
【0020】本発明者は、上記欠点を改良、改善し、さ
らに高い性能を有する燃料電池用電極を製造する方法及
び装置を別途開発している。この技術はガス拡散層上
に、(A)触媒粉末及び電解質を含む触媒層、または
(B)触媒粉末、電解質及び撥水化剤を含む触媒層を担
持させてなる燃料電池用電極を製造するに当たり、触媒
粒子を含む粘度の高いスラリーまたは触媒粒子及び撥水
化剤を含む粘度の高いスラリーを膜厚を制御しながらガ
ス拡散層に塗布した後、その塗布面に電解質を含浸させ
ることを特徴とするものであるが、本発明においては、
上記スラリーに対して非イオン系の界面活性剤を添加す
ることにより、これを経て得られる電極の特性及びこれ
を用いた燃料電池の性能をさらに改善できることを見い
出し、本発明に到達するに至ったものである。The present inventor has separately developed a method and apparatus for improving the above-mentioned drawbacks and improving the above-mentioned drawbacks, and manufacturing a fuel cell electrode having higher performance. This technique produces a fuel cell electrode in which (A) a catalyst layer containing a catalyst powder and an electrolyte or (B) a catalyst layer containing a catalyst powder, an electrolyte and a water repellent agent is carried on a gas diffusion layer. In this case, a high-viscosity slurry containing catalyst particles or a high-viscosity slurry containing catalyst particles and a water repellent agent is applied to the gas diffusion layer while controlling the film thickness, and then the coated surface is impregnated with an electrolyte. However, in the present invention,
By adding a nonionic surfactant to the above slurry, it was found that the characteristics of the electrode obtained through this and the performance of the fuel cell using the same can be further improved, and the present invention was reached. It is a thing.
【0021】[0021]
【発明が解決しようとする課題】すなわち、本発明はガ
ス拡散層上に(A)触媒粉末及び電解質を含む触媒層、
または(B)触媒粉末、電解質及び撥水化剤を含む触媒
層を担持させてなる燃料電池用電極を製造するに当た
り、その担持法として触媒粒子を含む粘度の高いスラリ
ーまたは触媒粒子及び撥水化剤を含む粘度の高いスラリ
ーに対して、非イオン系の界面活性剤を添加し、このス
ラリーをガス拡散層上に塗布する(塗る)手法を適用す
ることにより、さらに高い電池性能を有する燃料電池用
電極、その製造方法及び装置を提供することを目的とす
る。That is, the present invention provides a catalyst layer containing (A) catalyst powder and an electrolyte on a gas diffusion layer,
Alternatively, (B) in producing a fuel cell electrode having a catalyst layer containing a catalyst powder, an electrolyte and a water repellent agent, as a supporting method, a slurry having high viscosity containing catalyst particles or a catalyst particle and water repellent. A fuel cell having higher cell performance by adding a nonionic surfactant to a high-viscosity slurry containing an agent and applying (painting) the slurry on the gas diffusion layer. It is an object of the present invention to provide a use electrode, a method for manufacturing the same, and a device for the same.
【0022】[0022]
【課題を解決するための手段】本発明は、ガス拡散層上
に触媒粉末及び電解質を含む触媒層を担持させてなる燃
料電池用電極であって、該触媒層が触媒粒子及び非イオ
ン界面活性剤を含む粘度の高いスラリーを膜厚を制御し
ながらガス拡散層に塗布した後、熱処理をし、次いでそ
の塗布面に電解質を含浸させることにより得られた触媒
層であることを特徴とする燃料電池用電極を提供する。The present invention provides a fuel cell electrode comprising a gas diffusion layer carrying a catalyst layer containing catalyst powder and an electrolyte, the catalyst layer comprising catalyst particles and a nonionic surface active agent. A fuel characterized by being a catalyst layer obtained by applying a high-viscosity slurry containing an agent to the gas diffusion layer while controlling the film thickness, followed by heat treatment, and then impregnating the applied surface with an electrolyte. An electrode for a battery is provided.
【0023】また本発明は、ガス拡散層上に触媒粉末、
電解質及び撥水化剤を含む触媒層を担持させてなる燃料
電池用電極であって、該触媒層が触媒粒子、撥水化剤及
び非イオン界面活性剤を含む粘度の高いスラリーを膜厚
を制御しながらガス拡散層に塗布した後、熱処理をし、
次いでその塗布面に電解質を含浸させることにより得ら
れた触媒層であることを特徴とする燃料電池用電極を提
供する。The present invention also provides a catalyst powder on the gas diffusion layer,
A fuel cell electrode comprising a catalyst layer containing an electrolyte and a water repellent agent, wherein the catalyst layer has a high viscosity slurry containing catalyst particles, a water repellent agent and a nonionic surfactant. After applying to the gas diffusion layer while controlling, heat treatment,
Next, there is provided a fuel cell electrode, which is a catalyst layer obtained by impregnating the coated surface with an electrolyte.
【0024】また本発明は、ガス拡散層上に(A)触媒
粉末及び電解質を含む触媒層、または(B)触媒粉末、
電解質及び撥水化剤を含む触媒層を担持させてなる燃料
電池用電極を製造するに当たり、触媒粒子及び非イオン
界面活性剤を含む粘度の高いスラリー、または触媒粒
子、撥水化剤及び非イオン界面活性剤を含む粘度の高い
スラリーを膜厚を制御しながらガス拡散層に塗布した
後、熱処理をし、次いでその塗布面に電解質を含浸させ
ることを特徴とする燃料電池用電極の製造方法を提供す
るものである。The present invention also provides a catalyst layer containing (A) catalyst powder and an electrolyte on the gas diffusion layer, or (B) catalyst powder,
In producing a fuel cell electrode carrying a catalyst layer containing an electrolyte and a water repellent agent, a highly viscous slurry containing catalyst particles and a nonionic surfactant, or a catalyst particle, a water repellent agent and a nonionic slurry A method for producing an electrode for a fuel cell, which comprises applying a high-viscosity slurry containing a surfactant to a gas diffusion layer while controlling the film thickness, performing heat treatment, and then impregnating an electrolyte on the applied surface. It is provided.
【0025】また本発明は、ガス拡散層上に(A)触媒
粉末及び電解質を含む触媒層、または(B)触媒粉末、
電解質及び撥水化剤を含む触媒層を担持させてなる燃料
電池用電極を製造するに当たり、触媒粒子及び非イオン
界面活性剤を含む粘度の高いスラリー、または触媒粒
子、撥水化剤及び非イオン界面活性剤を含む粘度の高い
スラリーを1個又は複数の膜厚制御用のブレードを備え
るフィーダーにより膜厚を制御しながらガス拡散層に塗
布した後、熱処理をし、次いでその塗布面に電解質を含
浸させることを特徴とする燃料電池用電極の製造方法を
提供する。The present invention also provides a catalyst layer containing (A) catalyst powder and an electrolyte on the gas diffusion layer, or (B) catalyst powder,
In producing a fuel cell electrode carrying a catalyst layer containing an electrolyte and a water repellent agent, a highly viscous slurry containing catalyst particles and a nonionic surfactant, or a catalyst particle, a water repellent agent and a nonionic slurry A highly viscous slurry containing a surfactant is applied to the gas diffusion layer while controlling the film thickness with a feeder equipped with one or more blades for controlling the film thickness, followed by heat treatment, and then an electrolyte is applied to the coated surface. Provided is a method for manufacturing an electrode for a fuel cell, which is characterized by being impregnated.
【0026】さらに本発明は、ガス拡散層上に(A)触
媒粉末及び電解質を含む触媒層、または(B)触媒粉
末、電解質及び撥水化剤を含む触媒層を担持させてなる
燃料電池用電極の製造装置であって、触媒粒子及び非イ
オン界面活性剤を含む粘度の高いスラリー、または触媒
粒子、撥水化剤及び非イオン界面活性剤を含む粘度の高
いスラリーを1個又は複数の膜厚制御用のブレードを備
えるフィーダーによりガス拡散層上に膜厚を制御しなが
ら塗布した後、熱処理をし、次いでその塗布面に電解質
を含浸させるようにしてなることを特徴とする燃料電池
用電極の製造装置を提供する。Further, the present invention is for a fuel cell in which (A) a catalyst layer containing a catalyst powder and an electrolyte, or (B) a catalyst layer containing a catalyst powder, an electrolyte and a water repellent agent is carried on a gas diffusion layer. An electrode manufacturing apparatus, wherein one or a plurality of high-viscosity slurries containing catalyst particles and a nonionic surfactant, or a high-viscosity slurry containing catalyst particles, a water repellent and a nonionic surfactant. An electrode for a fuel cell, characterized in that a gas diffusion layer is coated on a gas diffusion layer while controlling the film thickness by a feeder equipped with a blade for controlling the thickness, then heat-treated, and then the coated surface is impregnated with an electrolyte. To provide a manufacturing apparatus.
【0027】[0027]
【発明の実施の形態】燃料電池には、りん酸型、アルカ
リ型、固体高分子型等各種あるが、本発明の電極、その
製造方法及び装置はそれらの何れの燃料電池用の電極に
ついても適用することができる。次に上記ガス拡散層
は、電極自体の基材ともなるもので、この材料としては
各種材質からなる多孔性のペーパー又はシート(本明細
書中、両者を含めて適宜「ペーパー」と指称してい
る)、或いはこれらを適宜撥水化して使用することがで
きるが、好ましくはカーボンペーパーや撥水化カーボン
ペーパーを用いることができる。このうち撥水化カーボ
ンペーパーは所定の気孔率及び厚さを有するカーボンペ
ーパーを用い、これに対してポリテトラフルオロエチレ
ン系ポリマーのディスパージョンを含浸させた後、熱処
理をして撥水化したものである。ここでポリテトラフル
オロエチレン系ポリマーとはポリテトラフルオロエチレ
ン(PTFE)のほか、テトラフルオロエチレンーヘキ
サフルオロプロピレン共重合体その他その誘導体等をも
含む意味である。There are various types of fuel cells, such as phosphoric acid type, alkaline type, solid polymer type, and the like. The electrode of the present invention, its manufacturing method and apparatus are applicable to any of these fuel cell electrodes. Can be applied. Next, the gas diffusion layer also serves as a base material of the electrode itself, and as this material, a porous paper or sheet made of various materials (in this specification, both are appropriately referred to as "paper"). Or water-repellent carbon paper can be used, and carbon paper or water-repellent carbon paper can be preferably used. Among them, the water-repellent carbon paper is a carbon paper having a predetermined porosity and thickness, which is impregnated with a dispersion of a polytetrafluoroethylene-based polymer and then heat-treated to be water-repellent. Is. Here, the polytetrafluoroethylene-based polymer is meant to include not only polytetrafluoroethylene (PTFE) but also a tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer and other derivatives thereof.
【0028】また、上記触媒粉末としては白金ブラック
粉末、白金合金粉末、白金又はパラジウム担持のカーボ
ンブラック粉末、パラジウムブラック粉末等が使用でき
る。また本発明で使用する前記撥水化剤としては特に限
定はないが、ポリテトラフルオロエチレン系のポリマー
であるのが望ましい。ここでポリテトラフルオロエチレ
ン系のポリマーとはポリテトラフルオロエチレンのほ
か、テトラフルオロエチレンーヘキサフルオロプロピレ
ン共重合体その他その誘導体等をも含む意味である。As the catalyst powder, platinum black powder, platinum alloy powder, platinum- or palladium-supported carbon black powder, palladium black powder or the like can be used. The water-repellent agent used in the present invention is not particularly limited, but is preferably a polytetrafluoroethylene-based polymer. Here, the polytetrafluoroethylene-based polymer is meant to include not only polytetrafluoroethylene but also tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer and other derivatives thereof.
【0029】上記非イオン界面活性剤(nonioni
c surfactant)としては、ポリエチレング
リコールアルキルエーテル、ポリエチレングリコール脂
肪酸エステル、ソルビタン脂肪酸エステル、脂肪酸モノ
グリセリド等、非イオン系であれば特に限定はないが、
後述スラリー塗布後の熱処理との関係で、温度360℃
程度以下の熱処理温度で分解するものであるのが望まし
い。また一種とは限らず二種以上の非イオン界面活性剤
を併用しても差し支えない。The nonionic surfactant (nonioni)
c Surfactant) is not particularly limited as long as it is nonionic, such as polyethylene glycol alkyl ether, polyethylene glycol fatty acid ester, sorbitan fatty acid ester, and fatty acid monoglyceride.
In relation to the heat treatment after applying the slurry described below, the temperature is 360 ° C.
It is desirable that it decomposes at a heat treatment temperature of about a certain degree or less. Further, it is not limited to one kind, and two or more kinds of nonionic surfactants may be used in combination.
【0030】本発明の好ましい態様としては、触媒粒子
及び非イオン界面活性剤を含む粘度の高いスラリー、ま
たは触媒粒子、撥水化剤及び非イオン界面活性剤を含む
粘度の高いスラリーを1個又は複数の膜厚制御用の刃を
備えるフィーダーによりガス拡散層上に膜厚を制御しな
がら塗布する。このスラリーの粘度は塗布後拡散層周縁
へ流動拡散することなく且つ該フィーダーにより制御し
得る粘性を備えていれば足り、またその必要があるが、
好ましくは1000〜10000cp(センチポイズ)
程度である。In a preferred embodiment of the present invention, one slurry having a high viscosity containing catalyst particles and a nonionic surfactant, or one slurry having a high viscosity containing catalyst particles, a water repellent and a nonionic surfactant is used. Coating is performed while controlling the film thickness on the gas diffusion layer by a feeder equipped with a plurality of blades for controlling the film thickness. The viscosity of the slurry is sufficient if it does not flow and diffuse to the periphery of the diffusion layer after coating and can be controlled by the feeder.
Preferably 1000 to 10,000 cp (centipoise)
It is a degree.
【0031】また本発明では該スラリーを所定膜厚に塗
布した後、その塗布面に電解質を含浸させる。この電解
質としては各種イオン交換樹脂等が使用できるが、好ま
しくはパーフルオロカーボンスルホン酸系の樹脂が使用
される。燃料電池のうち、例えば固体高分子型燃料電池
の場合、その固体高分子電解質膜としてパーフルオロカ
ーボンスルホン酸系の樹脂膜を用いる場合には、同系統
であるこのパーフルオロカーボンスルホン酸樹脂を用い
るのが好ましい。Further, in the present invention, after coating the slurry to a predetermined thickness, the coating surface is impregnated with an electrolyte. As the electrolyte, various ion exchange resins and the like can be used, but perfluorocarbon sulfonic acid type resins are preferably used. Among the fuel cells, for example, in the case of a solid polymer type fuel cell, when using a perfluorocarbon sulfonic acid type resin membrane as the solid polymer electrolyte membrane, it is recommended to use this same type of perfluorocarbon sulfonic acid resin. preferable.
【0032】図3は本発明のスラリー塗布方式による電
極製造方法及び装置の一態様を示す図である。図3中、
13は回転ローラー、14は例えばカーボンペーパーや
撥水化カーボンペーパー等からなる拡散層、15はスラ
リー用フィーダーであり、16はフィーダー15を構成
する前刃(前ブレード)、17は同じくフィーダー15
を構成する後刃(後ブレード)であり、前刃16及び後
刃17とが相まってスラリーの供給量及び塗布層の厚み
を制御する。図3の態様では前刃16と後刃17との2
個で構成しているが、これら制御用の刃はスラリーの流
動性や粘性等の諸特性の如何により1個又は3個以上で
構成することができる。また18は塗布後に形成された
触媒層であり、Sは触媒層形成用スラリー、すなわち触
媒粉末及び非イオン界面活性剤を含むスラリー、或いは
触媒粉末、撥水化剤及び非イオン界面活性剤を含むスラ
リーである。FIG. 3 is a diagram showing an embodiment of an electrode manufacturing method and apparatus according to the slurry coating method of the present invention. In FIG.
Reference numeral 13 is a rotating roller, 14 is a diffusion layer made of, for example, carbon paper or water repellent carbon paper, 15 is a slurry feeder, 16 is a front blade (front blade) that constitutes the feeder 15, and 17 is the same feeder 15.
And the front blade 16 and the rear blade 17 together control the supply amount of the slurry and the thickness of the coating layer. In the embodiment of FIG. 3, the front blade 16 and the rear blade 17 are
The blades for control are formed by one piece or three or more pieces depending on various characteristics such as fluidity and viscosity of the slurry. Reference numeral 18 is a catalyst layer formed after coating, and S is a slurry for forming a catalyst layer, that is, a slurry containing a catalyst powder and a nonionic surfactant, or a catalyst powder, a water repellent and a nonionic surfactant. It is a slurry.
【0033】この装置の操作については、フィーダー1
5(含:前刃16及び後刃17)に図3に示すとおりス
ラリーSを供給し、塗布される触媒層18の厚みを前刃
16及び後刃17の高さを調節しながら、回転ローラー
13を図中矢印の方向に回転させてカーボンペーパーや
撥水化カーボンペーパー等からなる拡散層14を移動さ
せる(図3中右から左への方向)。これによって拡散層
14上に所定厚の触媒層18を形成するが、この際、前
刃16及び後刃17の高さを調整し、拡散層13上に塗
られる触媒層の厚さを所望厚さとなるように制御する。Regarding the operation of this apparatus, the feeder 1
5 (including: the front blade 16 and the rear blade 17) is supplied with the slurry S as shown in FIG. 3 to adjust the thickness of the catalyst layer 18 to be applied while adjusting the heights of the front blade 16 and the rear blade 17 while rotating the roller. The diffusion layer 14 made of carbon paper, water repellent carbon paper, or the like is moved by rotating 13 in the direction of the arrow in the drawing (direction from right to left in FIG. 3). As a result, the catalyst layer 18 having a predetermined thickness is formed on the diffusion layer 14. At this time, the heights of the front blade 16 and the rear blade 17 are adjusted so that the thickness of the catalyst layer coated on the diffusion layer 13 is a desired thickness. Control to be
【0034】上記原料スラリーは例えば上記のように刃
すなわちブレード形式の塗布法により塗布される。この
ため原料スラリーは所定粘度である必要があり、前述の
とおり数千〜1万cp(センチポイズ)程度の粘度で適
用することができる。なお、上記態様のように拡散層1
4を移動させるのに代えて、拡散層14を適当な支持部
材により固定し、この固定拡散層14に対してフィーダ
ー15(含:16及び後刃17)を相対的に移動させる
ようにしても差し支えない。The above-mentioned raw material slurry is applied, for example, by the blade or blade type application method as described above. Therefore, the raw material slurry needs to have a predetermined viscosity, and as described above, it can be applied with a viscosity of about several thousand to 10,000 cp (centipoise). In addition, as in the above embodiment, the diffusion layer 1
Instead of moving 4, the diffusion layer 14 is fixed by an appropriate supporting member, and the feeder 15 (including: 16 and trailing blade 17) is moved relatively to the fixed diffusion layer 14. It doesn't matter.
【0035】次に、本発明の具体的手順の一態様につい
て述べると以下(a)〜(f)のとおりである。(a)
例えば50%白金を担持した触媒粒子及びPTFEディ
スパージョンを触媒粒子とポリテトラフルオロエチレン
とが例えば4:3(重量比)となるように混合した後、
この混合物に重量で0.5〜2%程度の非イオン界面活
性剤を加える。(b)得られた混合物をコロイドミルで
混合し、溶媒を加熱して混合物の濃度を向上させ、その
粘度が1000〜10000cp程度となるようにす
る。なお溶媒としては、好ましくは水を使用するが、一
部エタノール等を含んでいても差し支えない。Next, one mode of the specific procedure of the present invention is as follows (a) to (f). (A)
For example, 50% platinum-supported catalyst particles and PTFE dispersion are mixed so that the catalyst particles and polytetrafluoroethylene are, for example, 4: 3 (weight ratio),
About 0.5-2% by weight of nonionic surfactant is added to this mixture. (B) The obtained mixture is mixed with a colloid mill, and the solvent is heated to increase the concentration of the mixture so that the viscosity becomes about 1000 to 10000 cp. Water is preferably used as the solvent, but ethanol may be partially contained in the solvent.
【0036】(c)カーボンペーパーや撥水化カーボン
ペーパー等を図3に示すようにセットし、図3中スラリ
ーSの部分に上記(a)〜(b)のように調製したスラ
リー液を供給する。撥水化カーボンペーパー等の表面と
前刃16及び後刃17との間隙を調節しながら、回転ロ
ーラー13によりペーパー14を動かし、スラリー液を
塗布する。(d)その塗布層を窒素気流中で温度360
℃程度で熱処理し、界面活性剤を熱分解させて除去す
る。(e)次いで、その塗布面に電解質溶液を含浸さ
せ、溶媒を真空乾燥などにより除去して電極とする。
(f)作製した電極間に例えば固体高分子電解質膜を挟
みプレスして電池とする。(C) Carbon paper, water repellent carbon paper, etc. are set as shown in FIG. 3, and the slurry liquid prepared as described in (a) and (b) above is supplied to the portion of slurry S in FIG. To do. While adjusting the gap between the surface of the water repellent carbon paper or the like and the front blade 16 and the rear blade 17, the paper 14 is moved by the rotating roller 13 to apply the slurry liquid. (D) The coating layer was heated at a temperature of 360 in a nitrogen stream.
Heat treatment is performed at about ℃ to thermally decompose and remove the surfactant. (E) Next, the coated surface is impregnated with an electrolyte solution, and the solvent is removed by vacuum drying or the like to obtain an electrode.
(F) A solid polymer electrolyte membrane is sandwiched between the produced electrodes and pressed to obtain a battery.
【0037】[0037]
【実施例】以下、本発明の実施例を説明するが、本発明
がこの実施例に限定されないことは勿論である。使用装
置としては図3に示すような装置を使用した。EXAMPLES Examples of the present invention will be described below, but it goes without saying that the present invention is not limited to these examples. As the apparatus used, the apparatus shown in FIG. 3 was used.
【0038】(1)まず表面積100cm2 、気孔率8
0%、厚さ0.4mmのカーボンペーパーにネオフロン
(テトラフルオロエチレンーヘキサフルオロプロピレン
共重合体、ダイキン工業社製、登録商標)のディスパー
ジョンを含浸させた後、熱処理を行い、ネオフロンで撥
水化したカーボンペーパーを得た。この場合その量的割
合は、ネオフロンがその全体量中20重量%を占めるよ
うに調製した。(2)一方、カーボン粒子に50%白金
を担持した触媒粒子とポリフロン(ポリテトラフルオロ
エチレン、ダイキン工業社製、登録商標)のディスパー
ジョンとを触媒粒子とポリテトラフルオロエチレンとが
4:3(重量比)となるように混合し、この混合物に非
イオン界面活性剤としてニッサンノニオンNSー20
4.5(ポリオキシエチレンノニルフェニルエーテル、
日本油脂社製、商標名)を1重量%を加えた。こうして
得られた混合物をコロイドミルで混合し、溶媒(水)を
加熱蒸発させて混合物の濃度を向上させ、粘度が約80
00cpのスラリーとなるようにした。(1) First, the surface area is 100 cm 2 , and the porosity is 8
A 0%, 0.4 mm thick carbon paper was impregnated with a dispersion of NEOFLON (tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer, a registered trademark of Daikin Industries, Ltd.), followed by heat treatment, and water repellency with NEOFLON. The carbonized paper was obtained. In this case, the quantitative proportion was adjusted so that neofron constituted 20% by weight in the total amount. (2) On the other hand, the catalyst particles in which 50% platinum is supported on carbon particles and the dispersion of polyflon (polytetrafluoroethylene, a registered trademark of Daikin Industries, Ltd.) are mixed with the catalyst particles and polytetrafluoroethylene in a ratio of 4: 3 ( (Weight ratio), and mixed with this mixture as a nonionic surfactant, Nissan Nonion NS-20.
4.5 (polyoxyethylene nonyl phenyl ether,
1% by weight of NOF CORPORATION, trade name) was added. The mixture thus obtained is mixed in a colloid mill and the solvent (water) is heated and evaporated to increase the concentration of the mixture, and the viscosity is about 80.
It was made to be a slurry of 00 cp.
【0039】(3)次いで、(1)で得た撥水化カーボ
ンペーパーを図3中14に示すようにセットし、図3中
スラリーSの部分に上記(2)で調製したスラリー液を
供給した。撥水化カーボンペーパー14と前刃16及び
後刃17との間隙を調節しながら回転ローラー13を図
3中矢印のように回転させてペーパー14を動かし、ス
ラリーSを塗布した。この場合その膜厚は白金担持量が
1mg/cm2 となるようにした。(4)その塗布層を
窒素気流中で温度360℃で熱処理し、界面活性剤を熱
分解させて除去した。(5)次いで、その塗布面にパー
フルオロカーボンスルホン酸樹脂のエタノール溶液を含
浸させ、溶媒を真空乾燥により除去して電極とした。(3) Next, the water repellent carbon paper obtained in (1) is set as shown in 14 in FIG. 3, and the slurry liquid prepared in (2) above is supplied to the portion of the slurry S in FIG. did. While adjusting the gap between the water repellent carbon paper 14 and the front blade 16 and the rear blade 17, the rotating roller 13 was rotated as shown by the arrow in FIG. In this case, the film thickness was such that the amount of platinum supported was 1 mg / cm 2 . (4) The coating layer was heat-treated in a nitrogen stream at a temperature of 360 ° C. to thermally decompose and remove the surfactant. (5) Next, the coated surface was impregnated with an ethanol solution of perfluorocarbon sulfonic acid resin, and the solvent was removed by vacuum drying to obtain an electrode.
【0040】(6)こうして作製した2枚の電極間に膜
厚80μmの固体高分子電解質膜(パーフルオロカーボ
ンスルホン酸系樹脂膜)を、両電極の触媒層側を膜面に
当接させて挟み、温度140℃、圧力100kgf/c
m2 の加圧下、60秒間プレスした後、これを燃料電池
用枠内に組み込んでセットし、導線、ガス管等を接続し
て実施例供試用電池とした。(6) A solid polymer electrolyte membrane (perfluorocarbon sulfonic acid resin membrane) having a film thickness of 80 μm was sandwiched between the two electrodes thus produced, with the catalyst layer sides of both electrodes being in contact with the membrane surfaces. , Temperature 140 ℃, pressure 100kgf / c
After pressing for 60 seconds under a pressure of m 2 , this was assembled in a fuel cell frame and set, and a conducting wire, a gas pipe and the like were connected to obtain a test battery of the example.
【0041】《比較例》他方、実施例における上記
(2)カーボン粒子に50%白金を担持した触媒粒子と
ポリフロン(ポリテトラフルオロエチレン、ダイキン工
業社製、登録商標)のディスパージョンとを触媒粒子と
ポリテトラフルオロエチレンとが4:3(重量比)とな
るように混合するだけで、この混合物に非イオン界面活
性剤を加えず、これに関連する上記(4)の工程を行わ
ない点を除き、その他の点はすべて実施例と同様にして
電池を作製し比較例供試用電池とした。Comparative Example On the other hand, (2) the catalyst particles in which the carbon particles were loaded with 50% platinum and the dispersion of polyflon (polytetrafluoroethylene, a registered trademark of Daikin Industries, Ltd.) were used as the catalyst particles. And the polytetrafluoroethylene are mixed in a ratio of 4: 3 (weight ratio), the nonionic surfactant is not added to the mixture, and the step (4) related thereto is not performed. Except for this, batteries other than the above were manufactured in the same manner as in the example, and used as the test battery for the comparative example.
【0042】以上のとおり製作した各種供試電池を用
い、燃料として水素を使用し、これをアノード側に供給
する一方、カソード側には空気を供給した。この両ガス
の供給圧力はともに2atmとし、水素は95℃で、空
気については80℃で加湿し、また電池の温度を80℃
に保って操作して測定した。図4は以上の各供試電池に
ついて測定した電流密度とセル電圧との関係を示すもの
である。Using the various test cells manufactured as described above, hydrogen was used as the fuel, and this was supplied to the anode side, while air was supplied to the cathode side. The supply pressure of both gases is 2 atm, hydrogen is 95 ° C., air is 80 ° C., and the battery temperature is 80 ° C.
The measurement was performed by keeping the temperature at 0. FIG. 4 shows the relationship between the cell density and the current density measured for each of the above test batteries.
【0043】図4のとおり、比較例供試電池でも、電流
密度の増加に対してセル電圧は徐々に低下するだけで相
当に優れたものであるが、実施例供試電池においては、
その低下傾向はさらに緩慢で、さらに一層改善されてい
ることが分かる。実施例に供した電極の作製過程中、前
記熱処理後及び乾燥後、その表面を電子顕微鏡で観察し
たところ、これら熱処理や乾燥の過程でのひび割れはな
いことが認められた。このように本発明によれば、電極
の触媒層が大面積であっても、その電極特性及びこれを
用いた電池特性をさらに一層有効に改善することができ
る。As shown in FIG. 4, even in the comparative test battery, the cell voltage was only gradually decreased as the current density was increased.
It can be seen that the decreasing tendency is slower and further improved. During the process of manufacturing the electrodes used in the examples, after the heat treatment and after drying, the surface was observed with an electron microscope, and it was confirmed that there was no crack in the process of heat treatment or drying. As described above, according to the present invention, even when the catalyst layer of the electrode has a large area, the electrode characteristic and the battery characteristic using the same can be more effectively improved.
【0044】[0044]
【発明の効果】以上のとおり、本発明によれば、電極の
触媒層の厚みはブレードにより固定されるため、その膜
厚を均一にすることができる。また最適な厚みを任意に
決定できるのに加え、電極製造過程における熱処理や乾
燥の過程で触媒層にひび割れがなく、さらに高い性能を
有する燃料電池を得ることができる。As described above, according to the present invention, since the thickness of the catalyst layer of the electrode is fixed by the blade, it is possible to make the thickness uniform. Further, in addition to being able to arbitrarily determine the optimum thickness, it is possible to obtain a fuel cell which has no cracks in the catalyst layer during the heat treatment or drying process in the electrode manufacturing process and has higher performance.
【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]
【図1】加圧濾過形式の電極製造装置の一態様を示す
図。FIG. 1 is a view showing an embodiment of a pressure filtration type electrode manufacturing apparatus.
【図2】図1の中空筒状体1及び下板3を示す図。FIG. 2 is a view showing a hollow cylindrical body 1 and a lower plate 3 of FIG.
【図3】本発明で適用し得る電極製造方法及び装置の一
態様を示す図。FIG. 3 is a diagram showing an embodiment of an electrode manufacturing method and apparatus applicable in the present invention.
【図4】実施例及び比較例で製造した各供試電池につい
て測定した電流密度とセル電圧との関係を示す図。FIG. 4 is a diagram showing the relationship between the measured current density and cell voltage of each test battery manufactured in Examples and Comparative Examples.
1 中空筒状体 2 上板 3 下板 4、5 パッキン 6 コンプレッサー 7 濾過する溶液を導入する管(バルブ付) 8 過剰圧時に空気を放出する管(バルブ付) 9 圧縮空気導入管 10 溶媒排出口 11 脚部 12 触媒層が堆積されるガス拡散板(層) 13 回転ローラー 14 ガス拡散層 15 スラリー用フィーダー 16 フィーダーの前刃(前ブレード) 17 フィーダーの後刃(後ブレード) 18 塗布触媒層 S 触媒層形成用スラリー 1 Hollow Cylindrical Body 2 Upper Plate 3 Lower Plate 4, 5 Packing 6 Compressor 7 Pipe for Introducing Solution to Be Filtered (with Valve) 8 Pipe for Emitting Air at Overpressure (with Valve) 9 Compressed Air Introducing Pipe 10 Solvent Discharge Outlet 11 Leg 12 Gas diffusion plate (layer) on which catalyst layer is deposited 13 Rotating roller 14 Gas diffusion layer 15 Feeder for slurry 16 Front blade of feeder (front blade) 17 Rear blade of feeder (rear blade) 18 Coated catalyst layer S Catalyst layer forming slurry
Claims (12)
触媒層を担持させてなる燃料電池用電極であって、該触
媒層が触媒粒子及び非イオン界面活性剤を含む粘度の高
いスラリーを膜厚を制御しながらガス拡散層に塗布した
後、熱処理をし、次いでその塗布面に電解質を含浸させ
ることにより得られた触媒層であることを特徴とする燃
料電池用電極。1. A fuel cell electrode comprising a gas diffusion layer carrying a catalyst layer containing a catalyst powder and an electrolyte, wherein the catalyst layer comprises a highly viscous slurry containing catalyst particles and a nonionic surfactant. A fuel cell electrode, which is a catalyst layer obtained by coating a gas diffusion layer while controlling the film thickness, heat-treating it, and then impregnating the coated surface with an electrolyte.
化剤を含む触媒層を担持させてなる燃料電池用電極であ
って、該触媒層が触媒粒子、撥水化剤及び非イオン界面
活性剤を含む粘度の高いスラリーを膜厚を制御しながら
ガス拡散層に塗布した後、熱処理をし、次いでその塗布
面に電解質を含浸させることにより得られた触媒層であ
ることを特徴とする燃料電池用電極。2. A fuel cell electrode comprising a catalyst layer containing a catalyst powder, an electrolyte and a water repellent agent on a gas diffusion layer, the catalyst layer comprising catalyst particles, a water repellent agent and a nonionic. A catalyst layer obtained by applying a high-viscosity slurry containing a surfactant to the gas diffusion layer while controlling the film thickness, followed by heat treatment, and then impregnating the applied surface with an electrolyte. Fuel cell electrode.
池用の電極である請求項1又は2記載の燃料電池用電
極。3. The fuel cell electrode according to claim 1, wherein the fuel cell electrode is an electrode for a polymer electrolyte fuel cell.
を含む触媒層、または(B)触媒粉末、電解質及び撥水
化剤を含む触媒層を担持させてなる燃料電池用電極を製
造するに当たり、触媒粒子及び非イオン界面活性剤を含
む粘度の高いスラリー、または触媒粒子、撥水化剤及び
非イオン界面活性剤を含む粘度の高いスラリーを膜厚を
制御しながらガス拡散層に塗布した後、熱処理をし、次
いでその塗布面に電解質を含浸させることを特徴とする
燃料電池用電極の製造方法。4. A fuel cell electrode having a catalyst layer containing (A) a catalyst powder and an electrolyte or (B) a catalyst layer containing a catalyst powder, an electrolyte and a water repellent agent, which is carried on a gas diffusion layer. In doing so, a highly viscous slurry containing catalyst particles and a nonionic surfactant or a highly viscous slurry containing catalyst particles, a water repellent and a nonionic surfactant is applied to the gas diffusion layer while controlling the film thickness. After that, heat treatment is performed, and then the coated surface is impregnated with an electrolyte.
を含む触媒層、または(B)触媒粉末、電解質及び撥水
化剤を含む触媒層を担持させてなる燃料電池用電極を製
造するに当たり、触媒粒子及び非イオン界面活性剤を含
む粘度の高いスラリー、または触媒粒子、撥水化剤及び
非イオン界面活性剤を含む粘度の高いスラリーを1個又
は複数の膜厚制御用のブレードを備えるフィーダーによ
り膜厚を制御しながらガス拡散層に塗布した後、熱処理
をし、次いでその塗布面に電解質を含浸させることを特
徴とする燃料電池用電極の製造方法。5. A fuel cell electrode comprising: (A) a catalyst layer containing a catalyst powder and an electrolyte; or (B) a catalyst layer containing a catalyst powder, an electrolyte and a water repellent agent on a gas diffusion layer. In doing so, a high-viscosity slurry containing catalyst particles and a nonionic surfactant, or a high-viscosity slurry containing catalyst particles, a water repellent and a nonionic surfactant is used for one or more film thickness control blades. A method for producing an electrode for a fuel cell, which comprises applying a heat treatment to a gas diffusion layer while controlling the film thickness with a feeder provided with the above, heat treating, and then impregnating the coated surface with an electrolyte.
子型燃料電池用電極の製造方法である請求項4又は5記
載の燃料電池用電極の製造方法。6. The method for producing a fuel cell electrode according to claim 4, wherein the method for producing a fuel cell electrode is a method for producing a polymer electrolyte fuel cell electrode.
水化カーボンペーパーである請求項4、5又は6記載の
燃料電池用電極の製造方法。7. The method for producing an electrode for a fuel cell according to claim 4, 5 or 6, wherein the gas diffusion layer is carbon paper or water repellent carbon paper.
末であり、上記撥水化剤がポリテトラフルオロエチレン
系ポリマーである請求項4、5、6又は7記載の燃料電
池用電極の製造方法。8. The method for producing an electrode for a fuel cell according to claim 4, 5, 6 or 7, wherein the catalyst particles are carbon powder supporting platinum and the water repellent agent is a polytetrafluoroethylene polymer. .
を含む触媒層、または(B)触媒粉末、電解質及び撥水
化剤を含む触媒層を担持させてなる燃料電池用電極の製
造装置であって、触媒粒子及び非イオン界面活性剤を含
む粘度の高いスラリー、または触媒粒子、撥水化剤及び
非イオン界面活性剤を含む粘度の高いスラリーを1個又
は複数の膜厚制御用のブレードを備えるフィーダーによ
りガス拡散層上に膜厚を制御しながら塗布した後、熱処
理をし、次いでその塗布面に電解質を含浸させるように
してなることを特徴とする燃料電池用電極の製造装置。9. A fuel cell electrode comprising: (A) a catalyst layer containing a catalyst powder and an electrolyte; or (B) a catalyst layer containing a catalyst powder, an electrolyte and a water repellent agent. An apparatus for controlling a film thickness of one or a plurality of high-viscosity slurries containing catalyst particles and a nonionic surfactant, or a high-viscosity slurry containing catalyst particles, a water repellent and a nonionic surfactant. An apparatus for producing an electrode for a fuel cell, characterized in that the coating is applied on the gas diffusion layer while controlling the film thickness by a feeder equipped with a blade, heat treatment is performed, and then the coated surface is impregnated with an electrolyte. .
分子型燃料電池用電極の製造装置である請求項9記載の
燃料電池用電極の製造装置。10. The apparatus for producing a fuel cell electrode according to claim 9, wherein the apparatus for producing a fuel cell electrode is an apparatus for producing a polymer electrolyte fuel cell electrode.
撥水化カーボンペーパーである請求項9又は10記載の
燃料電池用電極の製造装置。11. The manufacturing apparatus of an electrode for a fuel cell according to claim 9, wherein the gas diffusion layer is carbon paper or water repellent carbon paper.
粉末であり、上記撥水化剤がポリテトラフルオロエチレ
ン系ポリマーである請求項9、10又は11記載の燃料
電池用電極の製造装置。12. The apparatus for producing a fuel cell electrode according to claim 9, 10 or 11, wherein the catalyst particles are carbon powder supporting platinum, and the water repellent agent is a polytetrafluoroethylene-based polymer.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP7353454A JPH09180727A (en) | 1995-12-27 | 1995-12-27 | Fuel cell electrode, manufacturing method and device thereof |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP7353454A JPH09180727A (en) | 1995-12-27 | 1995-12-27 | Fuel cell electrode, manufacturing method and device thereof |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH09180727A true JPH09180727A (en) | 1997-07-11 |
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ID=18430964
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP7353454A Pending JPH09180727A (en) | 1995-12-27 | 1995-12-27 | Fuel cell electrode, manufacturing method and device thereof |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JPH09180727A (en) |
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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-
1995
- 1995-12-27 JP JP7353454A patent/JPH09180727A/en active Pending
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