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JP2006140062A - Fuel cell electrode paste, electrode and membrane electrode assembly, and fuel cell system manufacturing method - Google Patents

Fuel cell electrode paste, electrode and membrane electrode assembly, and fuel cell system manufacturing method Download PDF

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JP2006140062A JP2004329513A JP2004329513A JP2006140062A JP 2006140062 A JP2006140062 A JP 2006140062A JP 2004329513 A JP2004329513 A JP 2004329513A JP 2004329513 A JP2004329513 A JP 2004329513A JP 2006140062 A JP2006140062 A JP 2006140062A
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Abstract

【課題】ランニングコストが低く、かつ出力低下を生じ難い燃料電池システムを製造可能にする。
【解決手段】カーボン粉末に触媒金属を担持してなる無数の触媒担持カーボンと、各触媒担持カーボンを互いに結合するとともにガス透過性を有する基材に結合するための高分子電解質82の溶液とを混合して電極用ペースト50を得る。この際、チャンバー35内に無数の触媒担持カーボンと水32とを含む混合物40を収容した後、チャンバー35を公転させることによって混合物40に遠心力を付与しつつ、チャンバー35を自転させることによって混合物40を自身の自重で攪拌し、中間物41を得る。この後、中間物41に溶液を混合し、電極用ペースト50を得る。
【選択図】図4
A fuel cell system capable of producing a fuel cell system having a low running cost and hardly causing a decrease in output.
An infinite number of catalyst-supporting carbons obtained by supporting a catalyst metal on carbon powder, and a solution of a polymer electrolyte 82 for binding the catalyst-supporting carbons to each other and to a base material having gas permeability. The electrode paste 50 is obtained by mixing. At this time, after containing a mixture 40 containing innumerable catalyst-supporting carbon and water 32 in the chamber 35, the mixture is rotated by rotating the chamber 35 while rotating the chamber 35 and applying a centrifugal force to the mixture 40. 40 is stirred by its own weight to obtain intermediate 41. Thereafter, the solution is mixed with the intermediate 41 to obtain the electrode paste 50.
[Selection] Figure 4

Description

本発明は、燃料電池のカソード極やアノード極を構成する電極用ペーストと、それら電極と、膜電極接合体と、燃料電池システムとの製造方法に関する。   The present invention relates to an electrode paste that constitutes a cathode electrode or an anode electrode of a fuel cell, a method for manufacturing these electrodes, a membrane electrode assembly, and a fuel cell system.

従来、図18に示すような膜電極接合体(MEA:Membrane Electrode Assembly)90を用いた燃料電池システムが知られている。この膜電極接合体90は、ナフィオン(登録商標、Nafion(Dupon社製))等の固体高分子膜からなる電解質膜91と、この電解質膜91の一面に接合されて空気が供給されるカソード極93と、電解質膜91の他面に接合されて水素等の燃料が供給されるアノード極92とを有している。   Conventionally, a fuel cell system using a membrane electrode assembly (MEA) 90 as shown in FIG. 18 is known. The membrane electrode assembly 90 includes an electrolyte membrane 91 made of a solid polymer membrane such as Nafion (registered trademark, Nafion (manufactured by Dupon)), and a cathode electrode joined to one surface of the electrolyte membrane 91 and supplied with air. 93 and an anode 92 that is joined to the other surface of the electrolyte membrane 91 and is supplied with a fuel such as hydrogen.

カソード極93は、カーボンクロス、カーボンペーパー、カーボンフェルト等のガス透過性のある基材と、この基材の一面に形成されたカソード触媒層93aとからなる。カソード極93におけるカソード触媒層93a以外の部分は基材によって構成されており、ここは非電解質側でカソード触媒層93aに空気を拡散するカソード拡散層93bとされている。   The cathode electrode 93 includes a gas-permeable base material such as carbon cloth, carbon paper, carbon felt, and the like, and a cathode catalyst layer 93a formed on one surface of the base material. A portion of the cathode electrode 93 other than the cathode catalyst layer 93a is formed of a base material, which is a cathode diffusion layer 93b that diffuses air to the cathode catalyst layer 93a on the non-electrolyte side.

また、アノード極92も、上記基材と、この基材の一面に形成されたアノード触媒層92aとからなる。アノード極92におけるアノード触媒層92a以外の部分も基材によって構成されており、ここは非電解質側でアノード触媒層92aに空気を拡散するアノード拡散層92bとされている。   The anode 92 also includes the base material and an anode catalyst layer 92a formed on one surface of the base material. The portion other than the anode catalyst layer 92a in the anode electrode 92 is also formed of a base material, and this is an anode diffusion layer 92b that diffuses air to the anode catalyst layer 92a on the non-electrolyte side.

カソード触媒層93aやアノード触媒層92aは、図19に示すように、ほぼ球形のカーボン粉末81aに白金(Pt)等の触媒金属81bを担持してなる無数の触媒担持カーボン81と、各触媒担持カーボン81を互いに結合するとともに図示しない基材に結合する高分子電解質82とを含むものである。高分子電解質82としては、電解質膜91と同様のものが用いられ得る。   As shown in FIG. 19, the cathode catalyst layer 93a and the anode catalyst layer 92a are composed of an infinite number of catalyst-supporting carbons 81 formed by supporting a catalyst metal 81b such as platinum (Pt) on a substantially spherical carbon powder 81a, and each catalyst support. It includes a polymer electrolyte 82 that bonds carbon 81 to each other and bonds to a base material (not shown). As the polymer electrolyte 82, the same one as the electrolyte membrane 91 can be used.

そして、この膜電極接合体90を図示しないセパレータで挟むことにより最小発電単位である燃料電池のセルが構成され、このセルが多数積層されて燃料電池スタックが構成される。カソード触媒層93aには空気供給手段によって空気が供給され、アノード触媒層92aには水素供給手段等によって水素等が供給されるようになっている。こうして燃料電池システムが構成される。   The membrane electrode assembly 90 is sandwiched between separators (not shown) to form a fuel cell as a minimum power generation unit, and a large number of these cells are stacked to form a fuel cell stack. Air is supplied to the cathode catalyst layer 93a by air supply means, and hydrogen or the like is supplied to the anode catalyst layer 92a by hydrogen supply means or the like. Thus, the fuel cell system is configured.

この膜電極接合体90では、アノード触媒層92aにおける電気化学的反応により、燃料から水素イオン(H+;プロトン)と電子とが生成される。そして、プロトンは水分子を伴ったH3+の形で電解質膜91内をカソード触媒層93aに向かって移動する。また、電子は、燃料電池システムに接続された負荷を通り、カソード触媒層93aに流れる。一方、カソード触媒層93aにおいては、空気中に含まれる酸素とプロトンと電子とから水が生成される。このような電気化学的反応が連続して起こることにより、燃料電池システムは起電力を連続して発生することができる。 In the membrane electrode assembly 90, hydrogen ions (H + ; protons) and electrons are generated from the fuel by an electrochemical reaction in the anode catalyst layer 92a. Protons move in the electrolyte membrane 91 toward the cathode catalyst layer 93a in the form of H 3 O + accompanied by water molecules. The electrons flow through the load connected to the fuel cell system and flow into the cathode catalyst layer 93a. On the other hand, in the cathode catalyst layer 93a, water is generated from oxygen, protons and electrons contained in the air. The fuel cell system can continuously generate an electromotive force by continuously performing such an electrochemical reaction.

しかし、膜電極接合体90のアノード触媒層92aにおいて生成されたプロトンは、水分子を伴って電解質膜91内をカソード触媒層93aに向かって移動することから、アノード触媒層92a及び電解質膜91のアノード触媒層92a側では、含水率が低下して乾燥しがちな状態になり、プロトンの移動が阻害され、燃料電池システムの出力が低下しやすい。   However, since protons generated in the anode catalyst layer 92a of the membrane electrode assembly 90 move in the electrolyte membrane 91 toward the cathode catalyst layer 93a with water molecules, the anode catalyst layer 92a and the electrolyte membrane 91 On the anode catalyst layer 92a side, the moisture content decreases and the anode catalyst layer 92a tends to dry, proton transfer is hindered, and the output of the fuel cell system tends to decrease.

また、カソード触媒層93aでは、プロトンとともに移動した水と電池反応で生じた生成水とにより水が過剰となり、空気の拡散が阻害される(以下、「フラッディング」という。)ため、これによっても燃料電池システムの出力が低下しやすい。   Further, in the cathode catalyst layer 93a, water is transferred by protons and produced water generated by the cell reaction, so that water becomes excessive and air diffusion is inhibited (hereinafter referred to as “flooding”). Battery system output tends to decrease.

このため、従来は、アノード触媒層92a及び電解質膜91の乾燥の問題については水素ガスを加湿装置によって加湿することにより解決し、またカソード触媒層93aの問題についてはカソード触媒層93aを撥水的に作成して外部に水を排出しやすいようにすることにより解決しようとしている。なお、従来、特許文献1〜6に本発明に関連する技術が開示されている。   Therefore, conventionally, the problem of drying of the anode catalyst layer 92a and the electrolyte membrane 91 is solved by humidifying hydrogen gas with a humidifier, and the problem of the cathode catalyst layer 93a is made water repellent. We are trying to solve this problem by making it easy to discharge water to the outside. Conventionally, Patent Documents 1 to 6 disclose techniques related to the present invention.

特開2004−199915号公報Japanese Patent Laid-Open No. 2004-199915 特開2004−185900号公報JP 2004-185900 A 特開2003−59505号公報JP 2003-59505 A 特開2002−324557号公報JP 2002-324557 A 特開2003−7308号公報JP 2003-7308 A 特開2002−134120号公報JP 2002-134120 A

しかし、上記のようにアノード極92側に加湿装置を設けるとすると、その作動のためにエネルギーを消費してしまい、燃料電池システムのランニングコストが高くなってしまう。また、その場合、カソード極93側にさらに過剰な水が存在することとなり、フラッディングによる出力低下の懸念も生じてしまう。   However, if the humidifier is provided on the anode electrode 92 side as described above, energy is consumed for its operation, and the running cost of the fuel cell system becomes high. In this case, more excess water exists on the cathode electrode 93 side, and there is a concern that the output is reduced due to flooding.

本発明は、上記従来の実情に鑑みてなされたものであって、ランニングコストが低く、かつ出力低下を生じ難い燃料電池システムを製造可能にすることを解決すべき課題としている。   The present invention has been made in view of the above-described conventional situation, and an object to be solved is to make it possible to manufacture a fuel cell system that is low in running cost and hardly causes a decrease in output.

発明者の知見によれば、燃料電池のセルにおいて、固体高分子膜等の電解質膜は水を良好に移動させるものの、その電解質膜に接合されるアノード極やカソード極は水を良好に移動させることができない。アノード極やカソード極は、上述のように、無数の触媒担持カーボンと高分子電解質とを含むものであることから、その原因は、これらが水を局部的に含んでいなかったり、これらにおいては、各触媒担持カーボン同士の接触が阻害されていたり、高分子電解質と各触媒担持カーボンとの間に水によって互いに連続する親水層が形成されていなかったりすることにあると発明者は推論した。   According to the inventor's knowledge, in a fuel cell, an electrolyte membrane such as a solid polymer membrane moves water well, but the anode and cathode electrodes joined to the electrolyte membrane move water well. I can't. As described above, since the anode electrode and the cathode electrode contain innumerable catalyst-supporting carbon and polymer electrolyte, the cause thereof is that they do not contain water locally, The inventors have inferred that contact between the catalyst-carrying carbons is hindered or that a hydrophilic layer continuous with each other is not formed by water between the polymer electrolyte and each catalyst-carrying carbon.

すなわち、図19に示すように、従来のMEA90においては、電解質膜91は少なくとも使用中においては水32を含み、電解質膜91内には厚さ方向に連続する親水層71が形成されていることが推察される。しかしながら、アノード触媒層92aやカソード触媒層93aは、少なくとも使用中においては水32は含むものの、各触媒担持カーボン81同士の接触が阻害されていたり、高分子電解質82と各触媒担持カーボン81との間に水32によって互いに連続する親水層72が形成されていなかったりすると推論される。このため、アノード触媒層92aで生じたプロトンは、アノード触媒層92a内のイオン抵抗が高いためにアノード触媒層92a内を移動し難く、アノード触媒層92aから電解質膜91内へのイオン抵抗も高いために電解質膜91内に移動し難く、かつカソード触媒層93a内のイオン抵抗も高いためにカソード触媒層93a内を移動し難いと考えられる。また、カソード触媒層93aで生じた生成水がカソード極93側に溜まり、フラッディングを生じ易くなるとともに、アノード極92及び電解質膜91で水が不足してさらなるプロトンの伝導性を阻害するに至るものと考えられる。   That is, as shown in FIG. 19, in the conventional MEA 90, the electrolyte membrane 91 contains water 32 at least during use, and a hydrophilic layer 71 continuous in the thickness direction is formed in the electrolyte membrane 91. Is inferred. However, although the anode catalyst layer 92a and the cathode catalyst layer 93a contain water 32 at least during use, the contact between the catalyst-supporting carbons 81 is obstructed, or the polymer electrolyte 82 and the catalyst-supporting carbon 81 It is inferred that the hydrophilic layers 72 that are continuous with each other are not formed by the water 32 therebetween. For this reason, protons generated in the anode catalyst layer 92a are difficult to move in the anode catalyst layer 92a due to high ion resistance in the anode catalyst layer 92a, and ion resistance from the anode catalyst layer 92a into the electrolyte membrane 91 is also high. For this reason, it is difficult to move in the electrolyte membrane 91 and it is difficult to move in the cathode catalyst layer 93a because the ion resistance in the cathode catalyst layer 93a is high. In addition, the generated water generated in the cathode catalyst layer 93a accumulates on the cathode electrode 93 side, and it is easy for flooding to occur, and the anode electrode 92 and the electrolyte membrane 91 cause insufficient water to impede further proton conductivity. it is conceivable that.

また、高分子電解質82は極性を有しており、水を良好に移動させることができないアノード極92やカソード極93においては、それが好適に配向していないとも発明者は推論した。   In addition, the inventor also inferred that the polymer electrolyte 82 has polarity and the anode electrode 92 and the cathode electrode 93, which cannot move water well, are not properly oriented.

発明者は、それらの推論による不具合を解決した燃料電池システムを試作し、これによって軽加湿又は無加湿でも高出力が得られることを発見した。本発明はこうして完成されたのである。   The inventor made a prototype of a fuel cell system that solved the problems caused by these inferences, and found that high output could be obtained even with light or no humidification. The present invention has thus been completed.

本発明の燃料電池の電極用ペーストの製造方法は、カーボン粉末に触媒金属を担持してなる無数の触媒担持カーボンと、各該触媒担持カーボンを互いに結合するとともにガス透過性を有する基材に結合するための高分子電解質の溶液とを混合して電極用ペーストを得る燃料電池の電極用ペーストの製造方法であって、
チャンバー内に無数の前記触媒担持カーボンと水とを含む混合物を収容した後、該チャンバーを公転させることによって該混合物に遠心力を付与しつつ、該チャンバーを自転させることによって該混合物を自身の自重で攪拌し、中間物を得る第1工程と、
該中間物に前記溶液を混合し、電極用ペーストを得る第2工程とを備えていることを特徴とする。
The fuel cell electrode paste manufacturing method according to the present invention includes an infinite number of catalyst-supporting carbons obtained by supporting a catalyst metal on carbon powder, and each of the catalyst-supporting carbons bonded to each other and a gas-permeable substrate. A method for producing an electrode paste for a fuel cell to obtain a paste for an electrode by mixing a polymer electrolyte solution for
After containing a countless mixture of the catalyst-supporting carbon and water in the chamber, the mixture is rotated by rotating the chamber while revolving the chamber, and rotating the chamber. A first step of stirring to obtain an intermediate;
A second step of mixing the solution with the intermediate to obtain an electrode paste.

本発明の製造方法では、まず第1工程において、チャンバー内に無数の触媒担持カーボンと水とを含む混合物を収容した後、チャンバーを公転させることによって混合物に遠心力を付与しつつ、チャンバーを自転させることによって混合物を自身の自重で攪拌し、中間物を得る。発明者の推論では、こうして、各触媒担持カーボンの表面から空気を強制的に剥がすことができる。また、各触媒担持カーボンの表面を水で覆われた状態にすることができる。この際、遠心力の付与及び攪拌のためにボール、プロペラ等の異物を用いないことから、触媒担持カーボン同士の接触は阻害され難い。   In the production method of the present invention, first, in the first step, after containing a mixture containing an infinite number of catalyst-supporting carbon and water in the chamber, the chamber is rotated while revolving the chamber while applying centrifugal force to the mixture. The mixture is stirred by its own weight to obtain an intermediate. Inventor's reasoning is that air can be forcibly removed from the surface of each catalyst-supporting carbon. Further, the surface of each catalyst-supporting carbon can be covered with water. At this time, since foreign substances such as balls and propellers are not used for imparting centrifugal force and stirring, contact between the catalyst-supporting carbons is hardly hindered.

そして、第2工程として、中間物に高分子電解質の溶液を混合し、電極用ペーストを得る。この際、各触媒担持カーボンは水に対する濡れ性を有していることから、高分子電解質は各触媒担持カーボン側に高分子電解質が有するイオン反応基を配向させる。そして、互いに接触する各触媒担持カーボンと高分子電解質との間に水によって互いに連続する親水層が形成された本発明の電極用ペーストが得られる。   And as a 2nd process, the solution of a polymer electrolyte is mixed with an intermediate body, and the paste for electrodes is obtained. At this time, since each catalyst-supporting carbon has wettability to water, the polymer electrolyte orients ion reactive groups of the polymer electrolyte on the catalyst-supporting carbon side. And the paste for electrodes of this invention in which the hydrophilic layer which continues mutually with water was formed between each catalyst support carbon and polymer electrolyte which contact mutually is obtained.

こうして得られた電極用ペーストは、互いに接触する各触媒担持カーボンと高分子電解質との間に水によって互いに連続する親水層が形成されている。このため、この電極用ペーストを用いて燃料電池のアノード極やカソード極を製造すれば、そのアノード極やカソード極は親水層によってプロトンが移動しやすい。また、高分子電解質はその親水層側にイオン反応基を配向させているため、プロトンの移動に親水層が有効に活用される。親水層は、各触媒担持カーボンの表面に生成された水酸基と、高分子電解質のイオン反応基とによって構成されるものと考えられることから、薄膜状をなしていると思われる。このため、燃料電池システムは、MEAのアノード極、電解質膜及びカソード極でH3Oが良好に移動し、軽加湿又は無加湿でありながら高出力が得られる。 In the electrode paste thus obtained, hydrophilic layers that are mutually continuous with water are formed between the catalyst-supporting carbon and the polymer electrolyte that are in contact with each other. For this reason, if an anode electrode or a cathode electrode of a fuel cell is manufactured using this electrode paste, protons easily move through the hydrophilic layer in the anode electrode or the cathode electrode. In addition, since the polymer electrolyte has an ion reactive group oriented on the hydrophilic layer side, the hydrophilic layer is effectively used for proton transfer. Since the hydrophilic layer is considered to be composed of the hydroxyl group generated on the surface of each catalyst-supporting carbon and the ion reactive group of the polymer electrolyte, it seems to be in the form of a thin film. For this reason, in the fuel cell system, H 3 O moves well at the anode electrode, the electrolyte membrane, and the cathode electrode of the MEA, and a high output is obtained while being lightly humidified or not humidified.

したがって、本発明によれば、ランニングコストが低く、かつ出力低下を生じ難い燃料電池システムを実現できる。   Therefore, according to the present invention, it is possible to realize a fuel cell system that is low in running cost and hardly causes a decrease in output.

なお、上記特許文献1〜6には触媒担持カーボンの親水化についての記載はある。しかしながら、これらに開示された電極用ペーストによって得られる燃料電池システムは、本発明の電極用ペーストによって得られる燃料電池システム程の効果を奏し得ないのである。これらに開示された電極用ペーストによって得られるアノード極やカソード極が水を局部的に含んでいなかったり、これらにおいては、各触媒担持カーボン同士の接触が阻害されていたり、高分子電解質と各触媒担持カーボンとの間に水によって互いに連続する親水層が形成されていなかったりすることにあると発明者は推論する。また、これらにおいては、高分子電解質が部分的に配向してはいるものの、それらが連続的に形成されていなかったりするとも発明者は推論する。さらに、本発明の電極用ペーストは、各触媒担持カーボンの親水化のために高価なプラズマ照射を行なう必要がないため、燃料電池システムの低廉化にも貢献する。   In addition, the said patent documents 1-6 have description about the hydrophilization of catalyst carrying | support carbon. However, the fuel cell system obtained by using the electrode paste disclosed therein cannot achieve the same effect as the fuel cell system obtained by using the electrode paste of the present invention. The anode electrode and the cathode electrode obtained by the electrode paste disclosed in these do not contain water locally, in these, contact between each catalyst-supported carbon is inhibited, the polymer electrolyte and each The inventors infer that the hydrophilic layers that are continuous with each other are not formed between the catalyst-supporting carbon and water. Moreover, in these, although the polymer electrolyte is partially oriented, the inventors infer that they are not formed continuously. Furthermore, since the electrode paste of the present invention does not require expensive plasma irradiation for hydrophilizing each catalyst-supporting carbon, it contributes to lowering the fuel cell system.

第2工程は、チャンバー内に中間物及び溶液を収容した後、チャンバーを公転させることによって中間物及び溶液に遠心力を付与しつつ、チャンバーを自転させることによって中間物及び溶液を自身の自重で攪拌し、電極用ペーストを得ることが好ましい。発明者の推論では、こうして、中間物及び溶液から空気を強制的に剥がすことができる。この際も、遠心力の付与及び攪拌のためにボール、プロペラ等の異物を用いないことから、触媒担持カーボン同士の接触が阻害され難い。   In the second step, after the intermediate and the solution are accommodated in the chamber, the intermediate and the solution are centrifugally applied to the intermediate and the solution by rotating the chamber. It is preferable to stir to obtain an electrode paste. Inventor's reasoning thus allows air to be forcibly removed from intermediates and solutions. Also in this case, since foreign substances such as balls and propellers are not used for imparting centrifugal force and stirring, contact between the catalyst-supporting carbons is hardly hindered.

本発明の燃料電池の電極の製造方法は、ガス透過性を有する基材と、該基材の一面に形成された触媒層とを有し、該触媒層は、カーボン粉末に触媒金属を担持してなる無数の触媒担持カーボンと、各該触媒担持カーボンを互いに結合するとともに該基材に結合する高分子電解質とを含む燃料電池の電極の製造方法であって、
上記電極用ペーストを前記基材の一面に塗布して電極を得ることを特徴とする。塗布のためには印刷等の手段を採用することができる。
The method for producing an electrode of a fuel cell of the present invention comprises a base material having gas permeability and a catalyst layer formed on one surface of the base material, and the catalyst layer carries a catalyst metal on carbon powder. A fuel cell electrode manufacturing method comprising: a myriad of catalyst-supporting carbons; and a polymer electrolyte that binds the catalyst-supporting carbons to each other and the base material,
The electrode paste is applied to one surface of the substrate to obtain an electrode. For the application, means such as printing can be employed.

こうして得られる電極は親水層が触媒層中に連続的に形成されているので、これを伝ってプロトンが移動しやすい。また、高分子電解質がその親水層側に高分子電解質が有するイオン交換基を配向させているため、プロトンの移動に親水層が有効に活用される。このため、燃料電池システムは、アノード極の触媒層、電解質膜及びカソード極の触媒層中の触媒担持カーボンと高分子電解質との間において、高分子電解質が有するイオン反応基を触媒担持カーボン側に配向して水路を形成し、水路が触媒担持カーボンの全面に形成されるので、プロトンの移動に必要な量の水が水路内に保水されて水路内を良好に移動し、過剰な水は必要ないので、軽加湿又は無加湿でありながら高出力が得られる。   Since the hydrophilic layer is continuously formed in the catalyst layer in the electrode obtained in this way, protons easily move along this. In addition, since the polymer electrolyte orients the ion exchange groups of the polymer electrolyte on the hydrophilic layer side, the hydrophilic layer is effectively used for proton transfer. Therefore, in the fuel cell system, the ion-reactive group of the polymer electrolyte is on the catalyst-carrying carbon side between the catalyst-carrying carbon and the polymer electrolyte in the catalyst layer of the anode electrode, the electrolyte membrane, and the cathode electrode. Oriented to form a water channel, and the water channel is formed on the entire surface of the catalyst-carrying carbon, so the amount of water necessary for proton transfer is retained in the water channel and moves well in the water channel, and excess water is required Therefore, a high output can be obtained with light or no humidification.

本発明の燃料電池の膜電極接合体の製造方法は、電解質層と、該電解質層の一面に接合されて空気が供給されるカソード極と、該電解質層の他面に接合されて燃料が供給されるアノード極とを有する燃料電池の膜電極接合体の製造方法において、
上記電極を前記カソード極及びアノード極の少なくとも一方に用いることを特徴とする。
The fuel cell membrane electrode assembly manufacturing method of the present invention includes an electrolyte layer, a cathode electrode joined to one surface of the electrolyte layer and supplied with air, and a fuel joined to the other surface of the electrolyte layer and supplied with fuel. In a method for producing a membrane electrode assembly of a fuel cell having an anode electrode,
The electrode is used for at least one of the cathode electrode and the anode electrode.

こうして得られる膜電極接合体は親水層が触媒層中に連続的に形成されているので、これを伝ってプロトンが移動しやすい。また、高分子電解質がその親水層側に高分子電解質が有するイオン交換基を配向させているため、プロトンの移動に親水層が有効に活用される。このため、燃料電池システムは、アノード極の触媒層、電解質膜及びカソード極の触媒層中の触媒担持カーボンと高分子電解質との間において、高分子電解質が有するイオン反応基を触媒担持カーボン側に配向して水路を形成し、水路が触媒担持カーボンの全面に形成されるので、プロトンの移動に必要な量の水が水路内に保水されて水路内を良好に移動し、過剰な水は必要ないので、軽加湿又は無加湿でありながら高出力が得られる。   In the membrane / electrode assembly thus obtained, the hydrophilic layer is continuously formed in the catalyst layer, so that the protons easily move along this. In addition, since the polymer electrolyte orients the ion exchange groups of the polymer electrolyte on the hydrophilic layer side, the hydrophilic layer is effectively used for proton transfer. Therefore, in the fuel cell system, the ion-reactive group of the polymer electrolyte is on the catalyst-carrying carbon side between the catalyst-carrying carbon and the polymer electrolyte in the catalyst layer of the anode electrode, the electrolyte membrane, and the cathode electrode. Oriented to form a water channel, and the water channel is formed on the entire surface of the catalyst-carrying carbon, so the amount of water necessary for proton transfer is retained in the water channel and moves well in the water channel, and excess water is required Therefore, a high output can be obtained with light or no humidification.

カソード極及びアノード極の少なくとも一方は、基材の他面に形成され、空気又は燃料を拡散する拡散層を有することが好ましい。これにより、燃料電池システムは、電池反応が生じ易く、高出力が得られる。   At least one of the cathode electrode and the anode electrode is preferably formed on the other surface of the substrate and has a diffusion layer for diffusing air or fuel. As a result, the fuel cell system easily causes a cell reaction, and a high output can be obtained.

本発明の燃料電池システムの製造方法は、膜電極接合体と、前記カソード極に空気を供給する空気供給手段と、前記アノード極に前記燃料を供給する燃料供給手段とを備えた燃料電池システムの製造方法において、
上記膜電極接合体を用いることを特徴とする。
A method of manufacturing a fuel cell system according to the present invention includes a membrane electrode assembly, an air supply unit that supplies air to the cathode electrode, and a fuel supply unit that supplies the fuel to the anode electrode. In the manufacturing method,
The membrane electrode assembly is used.

こうして得られる燃料電池システムは、アノード極、電解質膜及びカソード極で水が良好に移動し、軽加湿又は無加湿でありながら高出力が得られる。   In the fuel cell system obtained in this way, water moves well at the anode electrode, the electrolyte membrane, and the cathode electrode, and a high output is obtained while being lightly humidified or not humidified.

以下、本発明を具体化した実施例を図面を参照しつつ説明する。実施例の燃料電池システムでは、図13に示す複数のセル1が用いられている。各セル1は膜電極接合体(MEA)10と一対のセパレータ20とを備えている。   DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Embodiments embodying the present invention will be described below with reference to the drawings. In the fuel cell system of the embodiment, a plurality of cells 1 shown in FIG. 13 are used. Each cell 1 includes a membrane electrode assembly (MEA) 10 and a pair of separators 20.

MEA10は、ナフィオンからなる電解質膜11と、この電解質膜11の一面に一体に接合されたアノード極12と、電解質膜11の他面に一体に接合されたカソード極13とを有している。   The MEA 10 includes an electrolyte membrane 11 made of Nafion, an anode electrode 12 integrally joined to one surface of the electrolyte membrane 11, and a cathode electrode 13 joined integrally to the other surface of the electrolyte membrane 11.

アノード極12は、電解質膜11側に設けられるアノード触媒層12aと、アノード触媒層12aの非電解質膜側に接合され、アノード触媒層12aに水素を拡散するアノード拡散層12bとからなる。   The anode electrode 12 includes an anode catalyst layer 12a provided on the electrolyte membrane 11 side, and an anode diffusion layer 12b joined to the non-electrolyte membrane side of the anode catalyst layer 12a and diffusing hydrogen into the anode catalyst layer 12a.

また、カソード極13は、電解質膜11側に設けられるカソード触媒層13aと、カソード触媒層13aの非電解質膜側に接合され、カソード触媒層13aに空気を拡散するカソード拡散層13bとからなる。   The cathode 13 includes a cathode catalyst layer 13a provided on the electrolyte membrane 11 side, and a cathode diffusion layer 13b that is bonded to the non-electrolyte membrane side of the cathode catalyst layer 13a and diffuses air into the cathode catalyst layer 13a.

各セパレータ20は、一面側にアノード極12に水素を供給するための水素室21が形成され、他面側にカソード極13に空気を供給するための空気室22が形成されたものである。   Each separator 20 has a hydrogen chamber 21 for supplying hydrogen to the anode electrode 12 on one surface side and an air chamber 22 for supplying air to the cathode electrode 13 on the other surface side.

各セル1は、アノード極12側に水素室21が対面し、カソード極13側に空気室22が対面するようにMEA10と一対のセパレータ20とが積層されたものである。そして、MEA10とセパレータ20とを順次積層することによりスタックが構成される。また、アノード極12側とカソード極13側とで共通する上記セパレータ20を採用している。なお、スタックの両端のセパレータ20には水素室21又は空気室22だけが形成されている。   Each cell 1 is formed by stacking the MEA 10 and a pair of separators 20 so that the hydrogen chamber 21 faces the anode electrode 12 side and the air chamber 22 faces the cathode electrode 13 side. A stack is formed by sequentially stacking the MEA 10 and the separator 20. Further, the separator 20 common to the anode electrode 12 side and the cathode electrode 13 side is employed. Note that only the hydrogen chamber 21 or the air chamber 22 is formed in the separators 20 at both ends of the stack.

スタックには、各セル1の水素室21に図示しないバルブを介して連通する水素ボンベ2と、各セル1の空気室22に連通するブロア3とが接続されている。水素ボンベ2及びセパレータ20の水素室21がアノード触媒層12aに水素を供給する水素供給手段である。また、ブロア3及びセパレータ20の空気室22がカソード触媒層13aに空気を供給する空気供給手段である。   A hydrogen cylinder 2 communicating with the hydrogen chamber 21 of each cell 1 via a valve (not shown) and a blower 3 communicating with the air chamber 22 of each cell 1 are connected to the stack. The hydrogen cylinder 2 and the hydrogen chamber 21 of the separator 20 are hydrogen supply means for supplying hydrogen to the anode catalyst layer 12a. The air chamber 22 of the blower 3 and the separator 20 is an air supply means for supplying air to the cathode catalyst layer 13a.

実施例の燃料電池システムは、MEA10のカソード極13及びアノード極12に特徴を有している。より詳細には、カソード極13のカソード触媒層13a及びアノード極12のアノード触媒層12aに特徴を有している。   The fuel cell system of the embodiment is characterized by the cathode electrode 13 and the anode electrode 12 of the MEA 10. More specifically, the cathode catalyst layer 13a of the cathode electrode 13 and the anode catalyst layer 12a of the anode electrode 12 are characterized.

これらカソード触媒層13a及びアノード触媒層12aは図8に模式的に示す特殊な電極用ペースト50を用いて製造されている。この電極用ペースト50は以下の製造方法によって製造したものである。   The cathode catalyst layer 13a and the anode catalyst layer 12a are manufactured using a special electrode paste 50 schematically shown in FIG. This electrode paste 50 is manufactured by the following manufacturing method.

まず、図1に示すように、ステップS1において、無数の触媒担持カーボン81(図14及び図15参照)からなる市販の集合体31(図4参照)を用意した。各触媒担持カーボン81は、図14及び図15に示すように、ほぼ球形のカーボン粉末81aにPtからなる触媒金属81bを担持してなるものである。そして、図1に示すステップS2において、この集合体31を150°Cの真空乾燥チャンバー内に1時間投入し、真空乾燥した。触媒担持カーボン81を真空乾燥するのは、各触媒担持カーボン81の表面の不純物を可及的に除去し、親水性に近づけるためである。この際、触媒担持カーボン81同士の接触を阻害しないようにするため、集合体31を粉砕しなかった。   First, as shown in FIG. 1, in Step S <b> 1, a commercially available aggregate 31 (see FIG. 4) made up of countless catalyst-carrying carbon 81 (see FIGS. 14 and 15) was prepared. As shown in FIGS. 14 and 15, each catalyst-carrying carbon 81 is obtained by carrying a catalytic metal 81b made of Pt on a substantially spherical carbon powder 81a. In step S2 shown in FIG. 1, the assembly 31 was placed in a vacuum drying chamber at 150 ° C. for 1 hour and vacuum dried. The reason why the catalyst-carrying carbon 81 is vacuum-dried is to remove impurities on the surface of each catalyst-carrying carbon 81 as much as possible and to make it close to hydrophilicity. At this time, the aggregate 31 was not crushed so as not to hinder the contact between the catalyst-carrying carbons 81.

その後、ステップS3において、中間物41を得る。この際、図5に示すように、各触媒担持カーボン81の表面には親水基である水酸基が元々存在せず、各触媒担持カーボン81は濡れ性が悪いため、単に集合物31に水32を添加するだけでは、各触媒担持カーボン81の表面に水が存在しない。このため、まず、図4に示すチャンバー35を有する自転/公転式遠心攪拌機(キーエンス社製、商品名「ハイブリッドミキサーHM−500」)を用意した。このチャンバー35は、容器35aと、この容器35aを封止する蓋35bとからなり、中心点O1回りに高速で公転されるとともに、中心点O1から延びる自己の軸芯P回りに高速で自転され得るようになっている。このチャンバー35内に集合体31と、集合体31の8倍当量の水32とを含む混合物40を収容した。この後、チャンバー35を公転させることによって混合物40に遠心力を付与しつつ、チャンバー35を自転させることによって混合物40を自身の自重で攪拌した。こうして、各触媒担持カーボン81の表面から空気を強制的に剥がし、カーボン粉末81aの隙間にも水を充填し、図6に示すように、触媒担持カーボン81に水に対する濡れ性が付与され、中間物41が得られた。この際、遠心力の付与及び攪拌のためにボール、プロペラ等の異物を用いないことから、触媒担持カーボン81同士の接触を阻害することがない。   Thereafter, in step S3, an intermediate 41 is obtained. At this time, as shown in FIG. 5, the surface of each catalyst-carrying carbon 81 does not originally have a hydroxyl group, which is a hydrophilic group, and each catalyst-carrying carbon 81 has poor wettability. By simply adding it, water does not exist on the surface of each catalyst-supporting carbon 81. For this purpose, first, a rotation / revolution centrifugal stirrer (trade name “Hybrid Mixer HM-500” manufactured by Keyence Corporation) having a chamber 35 shown in FIG. 4 was prepared. The chamber 35 includes a container 35a and a lid 35b that seals the container 35a. The chamber 35 revolves around the center point O1 at a high speed and rotates around the axis P extending from the center point O1 at a high speed. To get. In this chamber 35, a mixture 40 containing the aggregate 31 and water 32 equivalent to eight times the aggregate 31 was accommodated. Then, the mixture 40 was stirred by its own weight by rotating the chamber 35 while applying centrifugal force to the mixture 40 by revolving the chamber 35. In this way, air is forcibly removed from the surface of each catalyst-supporting carbon 81, and the gap between the carbon powders 81a is filled with water. As shown in FIG. Product 41 was obtained. At this time, since foreign substances such as balls and propellers are not used for applying centrifugal force and stirring, contact between the catalyst-supporting carbons 81 is not hindered.

そして、図1に示すステップS4において、図4に示すように、自転/公転式遠心攪拌機のチャンバー35内に中間物41及び高分子電解質82としてのナフィオンと、アルコールと、水とからなる溶液を収容した後、チャンバー35を公転させることによって中間物41及び溶液に遠心力を付与しつつ、チャンバー35を自転させることによって中間物41及び溶液を自身の自重で攪拌した。こうして、ステップS4においても、中間物41及び溶液から空気を強制的に剥がす。この際、図7に示すように、各触媒担持カーボン81は水に対する濡れ性を有していることから、高分子電解質82は各触媒担持カーボン81側に高分子電解質82自身が有するスルホン基からなるイオン反応基82aを配向させた。また、遠心力の付与及び攪拌のためにボール、プロペラ等の異物を用いないことから、触媒担持カーボン81同士の接触が阻害され難い。こうして、図4及び図8に示すように、発電時には互いに接触する各触媒担持カーボン81と高分子電解質82との間に水32によって互いに連続する親水層72が形成された電極用ペースト50が得られた。   Then, in step S4 shown in FIG. 1, as shown in FIG. 4, an intermediate 41, a solution comprising Nafion as the polymer electrolyte 82, alcohol, and water are placed in the chamber 35 of the rotation / revolution centrifugal stirrer. After accommodating, the intermediate 35 and the solution were stirred by their own weight by rotating the chamber 35 while applying centrifugal force to the intermediate 41 and the solution by revolving the chamber 35. Thus, also in step S4, air is forcibly removed from the intermediate 41 and the solution. At this time, as shown in FIG. 7, each catalyst-carrying carbon 81 has wettability to water, so that the polymer electrolyte 82 is separated from the sulfone group of the polymer electrolyte 82 itself on the side of each catalyst-carrying carbon 81. The ion reactive group 82a is oriented. In addition, since foreign substances such as balls and propellers are not used for applying centrifugal force and stirring, the contact between the catalyst-supporting carbons 81 is hardly hindered. Thus, as shown in FIGS. 4 and 8, an electrode paste 50 is obtained in which hydrophilic layers 72 that are continuous with water 32 are formed between the catalyst-supporting carbon 81 and the polymer electrolyte 82 that are in contact with each other during power generation. It was.

一方、図2に示すステップS5において、ガス透過性を有する基材として、カーボンクロスを作製した。カーボンクロスを基材とし、両面にカーボンブラックとPTFEとの混合物からなる撥水層を付与した拡散層を作製した。この後、ステップS6において、上記電極用ペースト50を用いてカソード触媒層13a及びアノード触媒層12aの印刷を行なった。この際、チャンバー35又は容器30の壁面に付着した電極用ペースト50は攪拌不良が予想されるため、チャンバー35又は容器30内で上澄みとして存在する電極用ペースト50を用いた。そして、ステップS7において、印刷後の基材を乾燥させ、溶液のアルコール及び水を蒸発させてカソード極13及びアノード極12を得た。   On the other hand, in step S5 shown in FIG. 2, a carbon cloth was produced as a base material having gas permeability. A diffusion layer having a carbon cloth as a base material and a water repellent layer made of a mixture of carbon black and PTFE on both sides was prepared. Thereafter, in step S6, the cathode catalyst layer 13a and the anode catalyst layer 12a were printed using the electrode paste 50. At this time, since the electrode paste 50 attached to the wall surface of the chamber 35 or the container 30 is expected to be poorly stirred, the electrode paste 50 existing as a supernatant in the chamber 35 or the container 30 was used. In step S7, the substrate after printing was dried, and the alcohol and water in the solution were evaporated to obtain the cathode 13 and the anode 12.

カソード拡散層13b又はアノード拡散層12bの断面を50倍に拡大した顕微鏡写真を図9に示し、5万倍の顕微鏡写真を図10に示す。図9及び図10より、カソード拡散層13b又はアノード拡散層12bでは微細な孔が無数に開いていることがわかる。このため、酸素や水素がカソード拡散層13bやアノード拡散層12bを容易に通り得ることがわかる。   FIG. 9 shows a micrograph in which the cross section of the cathode diffusion layer 13b or the anode diffusion layer 12b is magnified 50 times, and FIG. 10 shows a microphotograph at 50,000 times. 9 and 10, it can be seen that the cathode diffusion layer 13b or the anode diffusion layer 12b has innumerable fine holes. For this reason, it turns out that oxygen and hydrogen can easily pass through the cathode diffusion layer 13b and the anode diffusion layer 12b.

そして、ステップS8において、電解質膜11を一定の大きさにサイズカットした。また、ステップS9において、カソード極13及びアノード極12の外観を検査した後、ステップS10において、カソード極13及びアノード極12も一定の大きさにサイズカットした。   In step S8, the electrolyte membrane 11 was cut to a certain size. In step S9, the appearance of the cathode electrode 13 and the anode electrode 12 was inspected, and in step S10, the cathode electrode 13 and the anode electrode 12 were also cut to a certain size.

この後、ステップS11において、アノード極12、電解質膜11及びカソード極13の順でこれらを積層し、140°C、加圧力60kgfでホットプレスした。こうしてMEA10を得た。ステップS12でMEA10をサイズカットし、ステップS13でMEA10を検査し、ステップS14でMEA10が完成する。   Thereafter, in step S11, the anode electrode 12, the electrolyte membrane 11 and the cathode electrode 13 were laminated in this order, and hot-pressed at 140 ° C. and a pressing force of 60 kgf. In this way, MEA10 was obtained. In step S12, the size of the MEA 10 is cut. In step S13, the MEA 10 is inspected. In step S14, the MEA 10 is completed.

なお、本願発明の電極用ペーストを用いてMEAを作製する方法は、他への応用が可能である。   In addition, the method for producing MEA using the electrode paste of the present invention can be applied to other applications.

例えば、まず、ステップS4で得られた電極用ペーストを転写用フィルム上にアノード用及びカソード用としてそれぞれ所定面積に均一に塗布する。この後、各ペーストを乾燥させて転写用フィルム上に触媒層を形成する。そして、各触媒層が高分子電解質の膜に面するように、膜を挟むように転写用フィルムを配置し、ホットプレスで膜に触媒層を転写する。こうしてMEAを作製することも可能である。   For example, first, the electrode paste obtained in step S4 is uniformly applied to a predetermined area on the transfer film for the anode and the cathode. Thereafter, each paste is dried to form a catalyst layer on the transfer film. Then, a transfer film is disposed so as to sandwich the membrane so that each catalyst layer faces the polymer electrolyte membrane, and the catalyst layer is transferred to the membrane by hot pressing. It is also possible to produce an MEA in this way.

また、高分子電解質の膜の両面に電極用ペーストを用いたスプレー法や塗布法等により触媒層を形成する。そして、各触媒層の表面に電極用の基材が接するように配置し、ホットプレスする。こうしてMEAを作製することも可能である。   In addition, a catalyst layer is formed on both surfaces of the polymer electrolyte membrane by a spray method or a coating method using an electrode paste. And it arrange | positions so that the base material for electrodes may contact the surface of each catalyst layer, and it hot-presses. It is also possible to produce an MEA in this way.

上記MEA10の断面を2万倍に拡大した顕微鏡写真を図11に示す。また、カソード触媒層13a又はアノード触媒層12aの部分の100万倍の顕微鏡写真を図12に示す。図11及び図12からは必ずしも明らかではないが、上記のようにカソード極13のカソード触媒層13a及びアノード極12のアノード触媒層12aを製造していることからすれば、これらにおいては、図14に示すように、各触媒担持カーボン81同士の接触が維持され、かつ高分子電解質82と各触媒担持カーボン81との間に水32によって互いに連続する親水層72が形成されていることが推論される。このため、アノード触媒層12aで生じたプロトンは、形成されている親水層72を伝わってアノード触媒層12a内を移動するのでアノード触媒層12a内のイオン抵抗が低くなり、結果的にアノード触媒層12a内を移動し易いと考えられる。そして、それらのプロトンは、図16に示すように、アノード触媒層12aから電解質膜11内へのイオン抵抗も親水層72で連通しているので低くなり、電解質膜11内に移動し易く、かつ親水層72を伝わってカソード触媒層13a内を移動するのでカソード触媒層13a内のイオン抵抗が低くなり、結果的にカソード触媒層13a内を移動し易いと考えられる。こうして、このMEA10のアノード極12やカソード極13はプロトンが移動しやすいと考えられるのである。   FIG. 11 shows a photomicrograph in which the cross section of the MEA 10 is enlarged 20,000 times. In addition, FIG. 12 shows a microphotograph at a magnification of 1,000,000 of the cathode catalyst layer 13a or the anode catalyst layer 12a. Although it is not necessarily clear from FIGS. 11 and 12, if the cathode catalyst layer 13a of the cathode electrode 13 and the anode catalyst layer 12a of the anode electrode 12 are manufactured as described above, in these cases, FIG. It is inferred that the contact between the catalyst-supporting carbons 81 is maintained and a hydrophilic layer 72 is formed between the polymer electrolyte 82 and each of the catalyst-supporting carbons 81 by the water 32 as shown in FIG. The For this reason, protons generated in the anode catalyst layer 12a travel along the formed hydrophilic layer 72 and move in the anode catalyst layer 12a, so that the ionic resistance in the anode catalyst layer 12a is lowered, resulting in the anode catalyst layer. It is thought that it is easy to move in 12a. Then, as shown in FIG. 16, these protons are low in ionic resistance from the anode catalyst layer 12a into the electrolyte membrane 11 because they are in communication with the hydrophilic layer 72, and easily move into the electrolyte membrane 11. Since it moves through the hydrophilic layer 72 and moves in the cathode catalyst layer 13a, the ionic resistance in the cathode catalyst layer 13a is lowered, and as a result, it is considered that it is likely to move in the cathode catalyst layer 13a. Thus, it is considered that protons are likely to move in the anode 12 and the cathode 13 of the MEA 10.

さらには、カソード触媒層13aの触媒金属81bで生成する生成水がこの連通した親水層72を通って速やかにアノード極12側に逆拡散するようになる。このため、特に、低加湿運転時の電解質膜11及びアノード触媒層12aのドライアップを効果的に抑止し、高い発電性能を維持することができる。   Furthermore, the produced water produced by the catalyst metal 81b of the cathode catalyst layer 13a quickly diffuses back to the anode electrode 12 side through the communicating hydrophilic layer 72. For this reason, in particular, dry-up of the electrolyte membrane 11 and the anode catalyst layer 12a during the low humidification operation can be effectively suppressed, and high power generation performance can be maintained.

また、カソード触媒層13a及びアノード触媒層12aにおいては、図15に示すように、スルホン基によって極性を有する高分子電解質82が好適に配向していることが推論される。このため、カーボン粉末81a及び触媒金属81bの表面上にスルホン基が向けられ、カーボン粉末81aとスルホン基との間には親水基72が形成される。こうして、このMEA10では、プロトンの移動に親水層72が有効に活用されると考えられるのである。   Moreover, in the cathode catalyst layer 13a and the anode catalyst layer 12a, as shown in FIG. 15, it is inferred that the polymer electrolyte 82 having polarity by the sulfone group is preferably oriented. For this reason, a sulfone group is directed on the surfaces of the carbon powder 81a and the catalyst metal 81b, and a hydrophilic group 72 is formed between the carbon powder 81a and the sulfone group. Thus, in this MEA 10, it is considered that the hydrophilic layer 72 is effectively utilized for proton movement.

こうして、親水層72は、各触媒担持カーボン81の表面に生成された水酸基と、高分子電解質82のイオン反応基82aとによって薄膜状に構成されるものと考えられる(PFF(Proton Film Flow)構造)。このため、この燃料電池システムは、MEA10のアノード極12、電解質膜11及びカソード極13で薄膜状の親水基72を伝わってH3Oが良好に移動する。このように、水の通路として親水層72が予め形成されているので、外部から過剰な水をアノード電極12や電解質膜11に供給することを低減でき、さらに過剰な水によるフラッディング等も起こり難いので、軽加湿又は無加湿でありながら高出力が得られるのである。 Thus, the hydrophilic layer 72 is considered to be formed in a thin film shape by the hydroxyl group generated on the surface of each catalyst-supporting carbon 81 and the ion reactive group 82a of the polymer electrolyte 82 (PFF (Proton Film Flow) structure). ). For this reason, in this fuel cell system, H 3 O moves well through the thin-film hydrophilic group 72 at the anode electrode 12, the electrolyte membrane 11, and the cathode electrode 13 of the MEA 10. Thus, since the hydrophilic layer 72 is formed in advance as a water passage, the supply of excess water from the outside to the anode electrode 12 and the electrolyte membrane 11 can be reduced, and flooding due to excess water is unlikely to occur. Therefore, a high output can be obtained while being lightly humidified or not humidified.

実施例の燃料電池システム及び比較例の燃料電池システムについて、無加湿動作性能を比較した。比較例の燃料電池システムは従来のMEA90を用いたものである。従来のMEA90は、触媒担持カーボン粉末を溶剤(水/エチレングリコール等)と混合した後、イオン交換樹脂と溶剤とに分散させてペーストを作製し、このペーストを基材に印刷・乾燥してアノード電極及びカソード電極を作製し、電解質膜をこれらアノード電極及びカソード電極で挟持したものである。比較例の燃料電池システムの他の構成は実施例の燃料電池システムと同一である。   The fuel cell system of the example and the fuel cell system of the comparative example were compared in the non-humidifying operation performance. The fuel cell system of the comparative example uses a conventional MEA90. In the conventional MEA 90, a catalyst-supported carbon powder is mixed with a solvent (water / ethylene glycol or the like), and then dispersed in an ion exchange resin and a solvent to prepare a paste. An electrode and a cathode electrode are produced, and an electrolyte membrane is sandwiched between the anode electrode and the cathode electrode. Other configurations of the fuel cell system of the comparative example are the same as those of the fuel cell system of the example.

試験条件は、動作温度70°C、負荷0.7A/cm2、空気のストイキ比「4」、水素のストイキ比「1.3」である。なお、水素及び空気の動作圧力は対抗流方式とした。結果を図17に示す。 The test conditions are an operating temperature of 70 ° C., a load of 0.7 A / cm 2 , an air stoichiometric ratio of “4”, and a hydrogen stoichiometric ratio of “1.3”. The operating pressure of hydrogen and air was a counter flow system. The results are shown in FIG.

図17より、実施例の燃料電池システムでは以下のことがわかる。まず、抵抗については、0.1〜0.15(Ω・cm2)の間で安定しており、これはフル加湿条件で測定した場合と同程度である。一方、電圧については、0.5〜0.6(V)の間で安定して発電しているといった特徴が見られる。これら二つの結果は、生成水の逆拡散が良好である現象の証拠である。これに対し、作動後、すぐにMEA90が水不足のために運転不能になってしまったことがわかる。 FIG. 17 shows the following in the fuel cell system of the example. First, the resistance is stable between 0.1 and 0.15 (Ω · cm 2 ), which is the same level as that measured under full humidification conditions. On the other hand, with respect to the voltage, there is a characteristic that power is stably generated between 0.5 and 0.6 (V). These two results are evidence of a phenomenon in which the back diffusion of product water is good. On the other hand, it can be seen that the MEA 90 became inoperable immediately after operation due to lack of water.

したがって、実施例の燃料電池システムによれば、軽加湿又は無加湿でも高出力が得られるため、ランニングコストを低下を実現することができるのである。   Therefore, according to the fuel cell system of the embodiment, a high output can be obtained even with light humidification or non-humidification, so that the running cost can be reduced.

本発明は電気自動車等の移動用電源、あるいは据え置き用電源に利用可能である。   The present invention can be used for a moving power source for an electric vehicle or the like, or a stationary power source.

実施例の燃料電池システムに係り、製造方法の一部を示す流れ図である。3 is a flowchart showing a part of the manufacturing method according to the fuel cell system of the embodiment. 実施例の燃料電池システムに係り、製造方法の一部を示す流れ図である。3 is a flowchart showing a part of the manufacturing method according to the fuel cell system of the embodiment. 実施例の燃料電池システムに係り、製造方法の一部を示す流れ図である。3 is a flowchart showing a part of the manufacturing method according to the fuel cell system of the embodiment. 実施例の製造方法で用いた自転/公転式遠心攪拌機のチャンバの模式図である。It is the schematic of the chamber of the autorotation / revolution type centrifugal stirrer used with the manufacturing method of the Example. 混合物の拡大模式図である。It is an expansion schematic diagram of a mixture. 中間物の拡大模式図である。It is an expansion schematic diagram of an intermediate. 中間物と高分子電解質とを示す拡大模式図である。It is an expansion schematic diagram which shows an intermediate body and a polymer electrolyte. 電極用ペーストの拡大模式図である。It is an expansion schematic diagram of the paste for electrodes. カソード極又はアノード極の断面を50倍に拡大した顕微鏡写真である。It is the microscope picture which expanded the cross section of the cathode pole or the anode pole by 50 times. カソード触媒層又はアノード触媒層の部分の5万倍の顕微鏡写真である。It is a 50,000 times microscope picture of the part of a cathode catalyst layer or an anode catalyst layer. MEAの断面を2万倍に拡大した顕微鏡写真である。It is the microscope picture which expanded the cross section of MEA 20,000 times. カソード触媒層又はアノード触媒層の部分の100万倍の顕微鏡写真である。It is a 1 million times microscope picture of the part of a cathode catalyst layer or an anode catalyst layer. 実施例のセルを示す模式断面図である。It is a schematic cross section which shows the cell of an Example. 実施例のカソード触媒層又はアノード触媒層を示す模式拡大断面図である。It is a model expanded sectional view which shows the cathode catalyst layer or anode catalyst layer of an Example. 実施例の燃料電池システムに係り、図15のXIV部分の模式拡大断面図である。It is a schematic expanded sectional view of the XIV part of FIG. 実施例のMEAを示す模式拡大断面図である。It is a model expanded sectional view which shows MEA of an Example. 試験1に係り、実施例及び比較例の燃料電池システムにおける無加湿動作性能を示すグラフである。It is a graph which shows the non-humidification operation | movement performance in the fuel cell system of an Example and a comparative example concerning the test 1. FIG. 従来及び比較例のMEAを示す模式断面図である。It is a schematic cross section which shows MEA of the past and a comparative example. 従来及び比較例のMEAを示す模式拡大断面図である。It is a model expanded sectional view which shows MEA of the past and a comparative example.

符号の説明Explanation of symbols

81a…カーボン粉末
81b…触媒金属
81…触媒担持カーボン
82…高分子電解質
50…電極用ペースト
32…水
72…親水層
12、13…電極(12…アノード極、13…カソード極)
12a、13a…触媒層(12a…アノード触媒層、13a…カソード触媒層)
11…電解質膜
10…膜電極接合体(MEA)
12b…アノード拡散層
13b…カソード拡散層
3、22…空気供給手段、水素供給手段(3…ブロア、22…空気室)
2、21…燃料供給手段(2…水素ボンベ、21…水素室)
81a ... carbon powder 81b ... catalyst metal 81 ... catalyst-supported carbon 82 ... polymer electrolyte 50 ... electrode paste 32 ... water 72 ... hydrophilic layer 12, 13 ... electrode (12 ... anode electrode, 13 ... cathode electrode)
12a, 13a ... catalyst layer (12a ... anode catalyst layer, 13a ... cathode catalyst layer)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 11 ... Electrolyte membrane 10 ... Membrane electrode assembly (MEA)
12b ... Anode diffusion layer 13b ... Cathode diffusion layer 3, 22 ... Air supply means, hydrogen supply means (3 ... blower, 22 ... air chamber)
2, 21 ... Fuel supply means (2 ... Hydrogen cylinder, 21 ... Hydrogen chamber)

Claims (7)

カーボン粉末に触媒金属を担持してなる無数の触媒担持カーボンと、各該触媒担持カーボンを互いに結合するとともにガス透過性を有する基材に結合するための高分子電解質の溶液とを混合して電極用ペーストを得る燃料電池の電極用ペーストの製造方法であって、
チャンバー内に無数の前記触媒担持カーボンと水とを含む混合物を収容した後、該チャンバーを公転させることによって該混合物に遠心力を付与しつつ、該チャンバーを自転させることによって該混合物を自身の自重で攪拌し、中間物を得る第1工程と、
該中間物に前記溶液を混合し、電極用ペーストを得る第2工程とを備えていることを特徴とする燃料電池の電極用ペーストの製造方法。
An electrode is formed by mixing countless catalyst-supporting carbons obtained by supporting a catalyst metal on carbon powder and a polymer electrolyte solution for binding the catalyst-supporting carbons to each other and a gas-permeable substrate. A method for producing a paste for a fuel cell electrode to obtain a paste for a fuel cell,
After containing a countless mixture of the catalyst-supporting carbon and water in the chamber, the mixture is rotated by rotating the chamber while revolving the chamber, and rotating the chamber. A first step of stirring to obtain an intermediate;
And a second step of mixing the solution with the intermediate to obtain an electrode paste. A method for producing an electrode paste for a fuel cell.
前記第2工程は、前記チャンバー内に前記中間物及び前記溶液を収容した後、該チャンバーを公転させることによって該中間物及び該溶液に遠心力を付与しつつ、該チャンバーを自転させることによって該中間物及び該溶液を自身の自重で攪拌し、前記電極用ペーストを得ることを特徴とする請求項1記載の燃料電池の電極用ペーストの製造方法。   In the second step, after the intermediate and the solution are accommodated in the chamber, the chamber is revolved by rotating the chamber while revolving the chamber while applying centrifugal force to the intermediate and the solution. The method for producing an electrode paste for a fuel cell according to claim 1, wherein the intermediate and the solution are stirred by their own weight to obtain the electrode paste. 請求項1又は2の方法により製造してなることを特徴とする燃料電池の電極用ペースト。   A paste for a fuel cell electrode produced by the method according to claim 1 or 2. ガス透過性を有する基材と、該基材の一面に形成された触媒層とを有し、該触媒層は、カーボン粉末に触媒金属を担持してなる無数の触媒担持カーボンと、各該触媒担持カーボンを互いに結合するとともに該基材に結合する高分子電解質とを含む燃料電池の電極の製造方法であって、
請求項3記載の電極用ペーストを前記基材の一面に塗布して電極を得ることを特徴とする燃料電池の電極の製造方法。
A gas-permeable base material and a catalyst layer formed on one surface of the base material, the catalyst layer comprising countless catalyst-supporting carbons obtained by supporting a catalyst metal on carbon powder, and each of the catalysts A method for producing an electrode of a fuel cell comprising a polymer electrolyte that binds supported carbon to each other and binds to the substrate,
A method for producing an electrode for a fuel cell, wherein the electrode paste according to claim 3 is applied to one surface of the substrate to obtain an electrode.
電解質層と、該電解質層の一面に接合されて空気が供給されるカソード極と、該電解質層の他面に接合されて燃料が供給されるアノード極とを有する燃料電池の膜電極接合体の製造方法において、
請求項4記載の電極を前記カソード極及びアノード極の少なくとも一方に用いることを特徴とする燃料電池の膜電極接合体の製造方法。
A membrane electrode assembly of a fuel cell having an electrolyte layer, a cathode electrode joined to one surface of the electrolyte layer and supplied with air, and an anode electrode joined to the other surface of the electrolyte layer and supplied with fuel In the manufacturing method,
A method for producing a membrane electrode assembly for a fuel cell, wherein the electrode according to claim 4 is used for at least one of the cathode electrode and the anode electrode.
前記カソード極及び前記アノード極の少なくとも一方は、前記基材の他面に形成され、前記空気又は前記燃料を拡散する拡散層を有することを特徴とする請求項5記載の燃料電池の膜電極接合体の製造方法。   6. The membrane electrode joint of a fuel cell according to claim 5, wherein at least one of the cathode electrode and the anode electrode has a diffusion layer formed on the other surface of the base material and diffusing the air or the fuel. Body manufacturing method. 膜電極接合体と、前記カソード極に空気を供給する空気供給手段と、前記アノード極に前記燃料を供給する燃料供給手段とを備えた燃料電池システムの製造方法において、
請求項5又は6記載の膜電極接合体を用いることを特徴とする燃料電池システムの製造方法。
In a manufacturing method of a fuel cell system, comprising: a membrane electrode assembly; an air supply means for supplying air to the cathode electrode; and a fuel supply means for supplying the fuel to the anode electrode.
A method for producing a fuel cell system, wherein the membrane electrode assembly according to claim 5 or 6 is used.
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