JP6131696B2 - GAS DIFFUSION LAYER, METHOD FOR PRODUCING SAME, MEMBRANE ELECTRODE ASSEMBLY FOR FUEL CELL USING THE SAME, AND FUEL CELL - Google Patents
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Description
本発明は、ガス拡散層、その製造方法ならびにこれを用いる燃料電池用膜電極接合体および燃料電池に関する。 The present invention relates to a gas diffusion layer, a method for producing the same, a membrane electrode assembly for a fuel cell using the same, and a fuel cell.
近年、エネルギー・環境問題を背景とした社会的要求や動向と呼応して、常温でも作動して高出力密度が得られる燃料電池が電気自動車用電源、定置型電源として注目されている。燃料電池は、電極反応による生成物が原理的に水であり、地球環境への悪影響がほとんどないクリーンな発電システムである。特に、固体高分子形燃料電池(PEFC)は、比較的低温で作動することから、電気自動車用電源として期待されている。固体高分子形燃料電池は、発電機能を発揮する複数の単セルが積層された構造を有する。この単セルは、高分子電解質膜、当該膜の両面に順次形成される一対の触媒層および一対のガス拡散層(GDL)を有する膜−電極接合体(MEA)を備える。そして、個々の単セルが有するMEAは、セパレータを介して隣接する単セルのMEAと電気的に接続される。このようにして単セルが積層されることにより、燃料電池スタックが構成される。そして、この燃料電池スタックは、種々の用途に使用可能な発電手段として機能する。 In recent years, in response to social demands and trends against the background of energy and environmental problems, fuel cells that can operate at room temperature and obtain high output density have attracted attention as power sources for electric vehicles and stationary power sources. A fuel cell is a clean power generation system in which the product of an electrode reaction is water in principle and has almost no adverse effect on the global environment. In particular, a polymer electrolyte fuel cell (PEFC) is expected as a power source for electric vehicles because it operates at a relatively low temperature. The polymer electrolyte fuel cell has a structure in which a plurality of single cells that exhibit a power generation function are stacked. This single cell includes a polymer-electrolyte membrane, a membrane-electrode assembly (MEA) having a pair of catalyst layers and a pair of gas diffusion layers (GDL) that are sequentially formed on both surfaces of the membrane. And MEA which each single cell has is electrically connected with MEA of an adjacent single cell through a separator. Thus, a fuel cell stack is comprised by laminating | stacking a single cell. The fuel cell stack functions as power generation means that can be used for various applications.
従来、カーボンペーパーに導電性粉末、撥水剤及び絶縁性の熱硬化樹脂を含むペーストを塗布して、微細孔層を形成することが開示される(例えば、特許文献1)。上記構成によると、微細孔層のクラックを抑制できることが記載される。 Conventionally, it is disclosed that a microporous layer is formed by applying a paste containing conductive powder, a water repellent and an insulating thermosetting resin to carbon paper (for example, Patent Document 1). According to the said structure, it is described that the crack of a microporous layer can be suppressed.
しかしながら、基材として使用されるカーボンペーパーは、剛直で曲げに対して弱いため、加工時に基材自体に割れ等が生じるという問題があった。 However, since the carbon paper used as a base material is rigid and weak against bending, there is a problem that the base material itself is cracked during processing.
したがって、本発明は、上記事情を鑑みてなされたものであり、柔軟性を有するガス拡散電極層を提供することを目的とする。 Therefore, the present invention has been made in view of the above circumstances, and an object thereof is to provide a flexible gas diffusion electrode layer.
本発明者らは、上記の問題を解決すべく、鋭意研究を行った結果、導電性カーボンを非導電性不織布または織物に含ませることによって、上記課題を解決できることを見出した。 As a result of intensive studies to solve the above problems, the present inventors have found that the above problem can be solved by including conductive carbon in a nonconductive nonwoven fabric or woven fabric.
本発明によれば、空孔径が確保できる非導電性不織布または織物を用いることによって、空孔が連続的に存在する連続多孔構造体となる。よって、空孔の割合が従来に比べて高くなり、柔軟性を有するガス拡散層を提供できる。このため、ガス拡散層を用いてなる燃料電池は発電性能に優れる。 According to the present invention, by using a non-conductive nonwoven fabric or woven fabric that can ensure the pore diameter, a continuous porous structure in which pores are continuously present is obtained. Therefore, the ratio of vacancies is higher than in the prior art, and a flexible gas diffusion layer can be provided. For this reason, the fuel cell using a gas diffusion layer is excellent in power generation performance.
本発明のガス拡散層は、導電性カーボンを非導電性不織布または織物に保持してなることを特徴とする。非導電性不織布または織物は、空孔が連続的に存在する連続多孔構造体であるため、空孔の割合が従来に比べて高い。このため、非導電性不織布または織物は、柔軟性に富む。また、非導電性不織布または織物を用いてなるガス拡散層は、優れたガス拡散性を発揮する。また、非導電性不織布または織物の空孔は導電性カーボンを通過できる大きさを有する。このため、不織布または織物が非導電性であっても、導電性カーボンが空孔内に連続的に配置されて導電パスを形成するので、ガス拡散層は十分な導電性を確保できる。ゆえに、ガス拡散層を用いる燃料電池は、発電性能に優れる。また、不織布または織物が非導電性であることによって、使用できる材料の選択の幅が広がる。 The gas diffusion layer of the present invention is characterized in that conductive carbon is held in a nonconductive nonwoven fabric or woven fabric. Since the non-conductive nonwoven fabric or woven fabric is a continuous porous structure in which pores are continuously present, the ratio of the pores is higher than the conventional one. For this reason, a nonelectroconductive nonwoven fabric or a textile fabric is rich in a softness | flexibility. Moreover, the gas diffusion layer using a nonelectroconductive nonwoven fabric or a woven fabric exhibits excellent gas diffusibility. The pores of the non-conductive nonwoven fabric or woven fabric have a size that can pass through the conductive carbon. For this reason, even if the non-woven fabric or the woven fabric is non-conductive, the conductive carbon is continuously arranged in the pores to form a conductive path, so that the gas diffusion layer can ensure sufficient conductivity. Therefore, the fuel cell using the gas diffusion layer is excellent in power generation performance. In addition, since the non-woven fabric or the woven fabric is non-conductive, the range of materials that can be used is widened.
また、通常、MEAは、微細多孔質層(MPL)付のガス拡散層を有する。この微細多孔質層(MPL)付のガス拡散層は、ガス拡散層基材上にMPL形成用インクを塗布後、300℃以上の温度で30分以上焼付(熱処理)される(例えば、上記特許文献1 段落「0045」参照)。このため、上記方法は、時間、エネルギーコストの観点から、量産するには問題があった。これに対して、本発明では、低粘度の導電性カーボンを含む溶液に非導電性不織布または織物を浸漬、乾燥するだけで、ガス拡散層を製造できる。このため、従来のように高温での焼付(熱処理)を必要とせずに、ガス拡散層を容易に作製できる。また、溶液の粘度管理や粘度を高めるための増粘剤が不必要であり、高粘度にするための特別な攪拌機も不必要であるため、乾燥条件や溶媒の選定の幅が広がる。 Moreover, MEA usually has a gas diffusion layer with a fine porous layer (MPL). This gas diffusion layer with a microporous layer (MPL) is baked (heat treated) at a temperature of 300 ° C. or higher for 30 minutes or more after applying the MPL forming ink on the gas diffusion layer substrate (for example, the above-mentioned patent) Reference 1 (see paragraph “0045”). For this reason, the said method had a problem in mass production from a viewpoint of time and energy cost. On the other hand, in this invention, a gas diffusion layer can be manufactured only by immersing and drying a nonelectroconductive nonwoven fabric or a textile fabric in the solution containing low viscosity conductive carbon. For this reason, a gas diffusion layer can be easily produced without requiring baking (heat treatment) at a high temperature as in the prior art. Further, a thickener for controlling the viscosity of the solution or increasing the viscosity is unnecessary, and a special stirrer for increasing the viscosity is not required, so that the range of selection of drying conditions and solvents is widened.
以下、添付した図面を参照して本発明を適用した実施形態を説明する。なお、本発明は、以下の実施形態のみには制限されない。また、図面の寸法比率は、説明の都合上誇張されており、実際の比率とは異なる場合がある。 Embodiments to which the present invention is applied will be described below with reference to the accompanying drawings. In addition, this invention is not restrict | limited only to the following embodiment. In addition, the dimensional ratios in the drawings are exaggerated for convenience of explanation, and may be different from the actual ratios.
また、本明細書において、範囲を示す「X〜Y」は「X以上Y以下」を意味し、「重量」と「質量」、「重量%」と「質量%」及び「重量部」と「質量部」は同義語として扱う。また、特記しない限り、操作および物性等の測定は室温(20〜25℃)/相対湿度40〜50%の条件で測定する。 In the present specification, “X to Y” indicating a range means “X or more and Y or less”, and “weight” and “mass”, “wt%” and “mass%”, “part by weight” and “ “Part by mass” is treated as a synonym. Unless otherwise specified, measurement of operation and physical properties is performed under conditions of room temperature (20 to 25 ° C.) / Relative humidity 40 to 50%.
まず、本形態のガス拡散層が適用され得る固体高分子形燃料電池の基本的な構成を、図面を用いて説明する。 First, a basic configuration of a polymer electrolyte fuel cell to which the gas diffusion layer of this embodiment can be applied will be described with reference to the drawings.
図1は、本発明の第一の実施形態に係る固体高分子形燃料電池(PEFC)1の基本構成を示す概略図である。PEFC 1は、まず、固体高分子電解質膜2と、これを挟持する一対の触媒層(アノード触媒層3aおよびカソード触媒層3c)とを有する。そして、固体高分子電解質膜2と触媒層(3a、3c)との積層体はさらに、一対のガス拡散層(GDL)(アノードガス拡散層4aおよびカソードガス拡散層4c)により挟持されている。このように、固体高分子電解質膜2、一対の触媒層(3a、3c)および一対のガス拡散層(4a、4c)は、積層された状態で膜電極接合体(MEA)10を構成する。
FIG. 1 is a schematic diagram showing a basic configuration of a polymer electrolyte fuel cell (PEFC) 1 according to a first embodiment of the present invention. The PEFC 1 first has a solid
PEFC 1において、MEA 10はさらに、一対のセパレータ(アノードセパレータ8aおよびカソードセパレータ8c)により挟持されている。図1において、セパレータ(8a、8c)は、図示したMEA10の両端に位置するように図示されている。ただし、複数のMEAが積層されてなる燃料電池スタックでは、セパレータは、隣接するPEFC(図示せず)のためのセパレータとしても用いられるのが一般的である。換言すれば、燃料電池スタックにおいてMEAは、セパレータを介して順次積層されることにより、スタックを構成することとなる。なお、実際の燃料電池スタックにおいては、セパレータ(8a、8c)と高分子電解質膜2との間や、PEFC1とこれと隣接する他のPEFCとの間にガスシール部が配置されるが、図1ではこれらの記載を省略する。
In PEFC 1, MEA 10 is further sandwiched between a pair of separators (
セパレータ(8a、8c)は、例えば、厚さ0.5mm以下の薄板にプレス処理を施すことで図1に示すような凹凸状の形状に成形することにより得られる。セパレータ(8a、8c)のMEA側から見た凸部はMEA10と接触している。これにより、MEA10との電気的な接続が確保される。また、セパレータ(8a、8c)のMEA側から見た凹部(セパレータの有する凹凸状の形状に起因して生じるセパレータとMEAとの間の空間)は、PEFC1の運転時にガスを流通させるためのガス流路として機能する。具体的には、アノードセパレータ8aのガス流路9aには燃料ガス(例えば、水素など)を流通させ、カソードセパレータ8cのガス流路9cには酸化剤ガス(例えば、空気など)を流通させる。
The separators (8a, 8c) are obtained, for example, by forming a concavo-convex shape as shown in FIG. 1 by subjecting a thin plate having a thickness of 0.5 mm or less to a press treatment. The protrusions seen from the MEA side of the separators (8a, 8c) are in contact with the MEA10. Thereby, the electrical connection with MEA10 is ensured. In addition, a recess (space between the separator and the MEA generated due to the concavo-convex shape of the separator) viewed from the MEA side of the separator (8a, 8c) is a gas for circulating gas during operation of the
一方、セパレータ(8a、8c)のMEA側とは反対の側から見た凹部は、PEFC1の運転時にPEFCを冷却するための冷媒(例えば、水)を流通させるための冷媒流路11とされる。さらに、セパレータには通常、マニホールド(図示せず)が設けられる。このマニホールドは、スタックを構成した際に各セルを連結するための連結手段として機能する。かような構成とすることで、燃料電池スタックの機械的強度が確保されうる。
On the other hand, the recess viewed from the side opposite to the MEA side of the separators (8a, 8c) serves as a
なお、図1に示す実施形態においては、セパレータ(8a、8c)は凹凸状の形状に成形されている。ただし、セパレータは、かような凹凸状の形態のみに限定されるわけではなく、ガス流路および冷媒流路の機能を発揮できる限り、平板状、一部凹凸状などの任意の形態であってもよい。 In addition, in embodiment shown in FIG. 1, the separator (8a, 8c) is shape | molded by the uneven | corrugated shape. However, the separator is not limited to such a concavo-convex shape, and may be any form such as a flat plate shape and a partially concavo-convex shape as long as the functions of the gas flow path and the refrigerant flow path can be exhibited. Also good.
また、ガス拡散層(4a、4c)は、ガス拡散層として機能する。このため、ガス拡散層(GDL)(ガス拡散層、微細多孔質層(MPL))を別途必ずしも必要としない。しかし、PEFC 1は、必要であれば、ガス拡散層(4a、4c)と、触媒層(3a、3c)と、の間に、微細多孔質層(MPL)を別途有してもよい。
The gas diffusion layers (4a, 4c) function as gas diffusion layers. For this reason, a gas diffusion layer (GDL) (gas diffusion layer, microporous layer (MPL)) is not necessarily required separately. However, if necessary, the
[ガス拡散層]
ガス拡散層は、導電性カーボンを非導電性不織布または織物に保持されてなる構造を有する。好ましくは、ガス拡散層は、導電性カーボンを非導電性不織布に保持されてなる構造を有する。本明細書において、「不織布」とは、繊維を積層したものを意味する。このため、上記特許文献1に記載されるようなカーボンペーパーは、本発明の不織布には包含されない。また、本発明のガス拡散層は、ガス拡散層基材、微細多孔質層(MPL)または微細多孔質層(MPL)付ガス拡散層基材のいずれであってもよい。
[Gas diffusion layer]
The gas diffusion layer has a structure in which conductive carbon is held by a nonconductive nonwoven fabric or woven fabric. Preferably, the gas diffusion layer has a structure in which conductive carbon is held by a nonconductive nonwoven fabric. In this specification, “nonwoven fabric” means a laminate of fibers. For this reason, the carbon paper as described in the said
非導電性不織布または織物を構成する材料は、非導電性であれば特に制限されない。例えば、ガラス、高分子樹脂繊維、セルロースなどが挙げられる。これらのうち、ガラス、高分子樹脂繊維が好ましい。高分子樹脂繊維としては、特に制限されないが、耐熱性、耐加水分解性の観点から、ポリプロピレン、ポリアミド、ポリイミド、ポリサルホン、ポリフェニレンサルファイドなどが好適に挙げられる。より好ましくは、コストの観点から、高分子樹脂繊維は、ポリアミド、ポリプロピレンである。上記材料は、1種単独で使用されてあるいは2種以上の混合物の形態で使用されてもよい。すなわち、非導電性不織布または織物は、ガラス、高分子樹脂繊維およびセルロースからなる群より選択される少なくとも一種から形成されることが好ましい。 The material which comprises a nonelectroconductive nonwoven fabric or textiles will not be restrict | limited especially if it is nonelectroconductive. For example, glass, polymer resin fiber, cellulose and the like can be mentioned. Of these, glass and polymer resin fibers are preferred. Although it does not restrict | limit especially as a polymeric resin fiber, From a heat resistant and hydrolysis resistant viewpoint, a polypropylene, polyamide, a polyimide, polysulfone, polyphenylene sulfide etc. are mentioned suitably. More preferably, from the viewpoint of cost, the polymer resin fiber is polyamide or polypropylene. The said material may be used individually by 1 type, or may be used with the form of 2 or more types of mixtures. That is, the nonconductive nonwoven fabric or woven fabric is preferably formed from at least one selected from the group consisting of glass, polymer resin fibers, and cellulose.
また、非導電性不織布または織物を構成する繊維の大きさは、特に制限されない。具体的には、繊維の太さ(直径)は、好ましくは0.01〜100μmであり、より好ましくは0.1〜25μmである。このような大きさであれば、非導電性不織布または織物は適度な空孔の大きさ(空孔径)を有する。 Moreover, the magnitude | size of the fiber which comprises a nonelectroconductive nonwoven fabric or a textile fabric is not restrict | limited in particular. Specifically, the thickness (diameter) of the fiber is preferably 0.01 to 100 μm, more preferably 0.1 to 25 μm. If it is such a magnitude | size, a nonelectroconductive nonwoven fabric or textile fabric has a moderate hole size (hole diameter).
非導電性不織布または織物の製造方法は、特に制限されない。例えば、非導電性不織布は、乾式法、湿式抄紙法、スパンボンド法等によって製造できる。また、非導電性織物は、公知の製織方法で作製されうる。ここで、非導電性不織布または織物の製造条件は、特に制限されないが、例えば、坪量は、1〜50g/m2であることが好ましく、5〜25g/m2であることがより好ましい。また、非導電性不織布または織物の密度は、0.05〜1.0g/cm3であることが好ましく、0.1〜0.4g/cm3であることがより好ましい。このような条件であれば、非導電性不織布または織物は、適度な空隙率(例えば、60〜97.5%)を得ることができる。ここで、非導電性不織布または織物の空隙率が上記範囲であれば、強度を確保(形状を維持)しつつ、ガス拡散性及び導電性を向上できる。 The method for producing the nonconductive nonwoven fabric or woven fabric is not particularly limited. For example, the nonconductive nonwoven fabric can be produced by a dry method, a wet papermaking method, a spunbond method, or the like. Moreover, a nonelectroconductive textile fabric can be produced with a well-known weaving method. Here, production conditions of the non-conductive nonwoven fabric or woven fabric is not particularly limited, for example, the basis weight is preferably from 1 to 50 g / m 2, and more preferably 5 to 25 g / m 2. The density of the non-conductive nonwoven fabric or woven fabric is preferably 0.05 to 1.0 g / cm 3, more preferably 0.1 to 0.4 g / cm 3. Under such conditions, the non-conductive nonwoven fabric or woven fabric can obtain an appropriate porosity (for example, 60 to 97.5%). Here, if the porosity of a nonelectroconductive nonwoven fabric or a woven fabric is the said range, gas diffusibility and electroconductivity can be improved, ensuring intensity | strength (a shape is maintained).
上述したように、ガス拡散層は、導電性カーボンを通過できる大きさの空孔を有することが好ましい。これにより、不織布または織物が非導電性であっても、導電性カーボンが非導電性不織布または織物の空孔内に連続的に(相互に接触した状態で)配置する。この導電性カーボンの連続的な配置が導電パスを形成するので、ガス拡散層は十分な導電性を確保できる。ここで、非導電性不織布または織物の空孔の大きさは、導電性カーボンを通過できる大きさであれば特に制限されない。非導電性不織布または織物の空孔径が、導電性カーボンの平均粒径の、好ましくは1.5〜100倍であり、より好ましくは2〜20倍であり、特に好ましくは3〜5倍である。このような大きさの空孔であれば、十分量の導電性カーボンが空孔内に連続的に(相互に接触した状態で)配置できるため、ガス拡散層は十分な導電性を発揮できる。本明細書中、「導電性カーボンの粒子径」は、導電性カーボンの平均二次粒子径を意味する。ここで、導電性カーボンの平均二次粒子径の測定は、レーザー回折散乱式粒度分布測定装置で観察される粒子の粒子径のメジアン値として算出される値を採用するものとする。 As described above, it is preferable that the gas diffusion layer has pores having a size that can pass through the conductive carbon. Thereby, even if the non-woven fabric or the woven fabric is non-conductive, the conductive carbon is continuously arranged (in contact with each other) in the pores of the non-conductive non-woven fabric or woven fabric. Since the continuous arrangement of the conductive carbon forms a conductive path, the gas diffusion layer can secure sufficient conductivity. Here, the size of the pores of the non-conductive nonwoven fabric or woven fabric is not particularly limited as long as it is a size that can pass through the conductive carbon. The pore diameter of the non-conductive nonwoven fabric or woven fabric is preferably 1.5 to 100 times, more preferably 2 to 20 times, and particularly preferably 3 to 5 times the average particle diameter of the conductive carbon. . If the pores have such a size, a sufficient amount of conductive carbon can be continuously disposed in the pores (in contact with each other), so that the gas diffusion layer can exhibit sufficient conductivity. In the present specification, “particle diameter of conductive carbon” means the average secondary particle diameter of conductive carbon. Here, for the measurement of the average secondary particle diameter of the conductive carbon, a value calculated as the median value of the particle diameter of the particles observed with a laser diffraction / scattering particle size distribution measuring apparatus is adopted.
または、非導電性不織布または織物の空孔径は、100μm以下であることが好ましく、1〜50μmであることがより好ましく、5〜25μmであることがより好ましく、5〜10μmであることが特に好ましい。このような範囲であれば、ガス拡散層の強度を十分確保でき、複数のMEAが積層されてなる燃料電池スタックであっても、局部的な逆電池反応や劣化により穴開きが起こらない。本明細書において、非導電性不織布または織物の「空孔径」は、バブルポイントから算出した平均空孔径(μm)である。具体的には、非導電性不織布または織物(試料)を予め10分以上イソプロピルアルコールに浸した後、水平にして、試験用タンクに取り付け、タンク内にイソプロピルアルコールを上記試料の上端15mmの高さまで注ぐ。次に、試料内部の空気圧を零から徐々に増加し、メディアより最初に気泡(バブル)が発生し、その気泡が連続して発生する時の空気圧をマノメータにより読み取る。さらに空気流量を増し、空気流量と空気圧を測定し、空気流量の変化率がほぼ一定になるまで継続する。空気流量と空気圧の関係をグラフに表わし、初期の傾きの接線と終期傾きの接線から、交点のバブルポイント圧を読み取る。得られた交点バブルポイント圧より、平均空孔径を次式より算出する。 Alternatively, the pore diameter of the non-conductive nonwoven fabric or woven fabric is preferably 100 μm or less, more preferably 1 to 50 μm, more preferably 5 to 25 μm, and particularly preferably 5 to 10 μm. . Within such a range, the strength of the gas diffusion layer can be sufficiently secured, and even in a fuel cell stack in which a plurality of MEAs are stacked, no hole is caused by local reverse cell reaction or deterioration. In the present specification, the “pore diameter” of the non-conductive nonwoven fabric or woven fabric is an average pore diameter (μm) calculated from the bubble point. Specifically, after a non-conductive non-woven fabric or woven fabric (sample) is dipped in isopropyl alcohol for 10 minutes or more in advance, it is placed horizontally and attached to a test tank, and isopropyl alcohol is placed in the tank up to a height of 15 mm at the upper end of the sample. pour it up. Next, the air pressure inside the sample is gradually increased from zero, bubbles are first generated from the medium, and the air pressure when the bubbles are continuously generated is read with a manometer. Further increase the air flow rate, measure the air flow rate and air pressure, and continue until the rate of change of the air flow rate becomes almost constant. The relationship between the air flow rate and air pressure is shown in a graph, and the bubble point pressure at the intersection is read from the tangent of the initial slope and the tangent of the final slope. From the obtained intersection bubble point pressure, the average pore diameter is calculated from the following equation.
ここで、Dは、平均空孔径(μm)を表わし;Pは、交点バブルポイント圧(mmH2O)を表す。 Here, D represents the average pore diameter (μm); P represents the intersection bubble point pressure (mmH 2 O).
非導電性不織布または織物は、市販品であってもよい。例えば、ガラス多孔体(日本板硝子株式会社製、商品名:TGP−015A)、ポリマー不織布(三晶製、商品名:デルポアP1001−20B)などが使用できる。 The non-conductive nonwoven fabric or woven fabric may be a commercial product. For example, a porous glass (manufactured by Nippon Sheet Glass Co., Ltd., trade name: TGP-015A), a polymer nonwoven fabric (manufactured by Sanki, trade name: Delpore P1001-20B) and the like can be used.
また、導電性カーボンとしては、特に限定されず、カーボンブラック、黒鉛(粒状黒鉛を含む)、膨張黒鉛などの従来公知の材料が適宜採用されうる。なかでも、導電性に優れ、比表面積が大きいことから、オイルファーネスブラック、チャネルブラック、ランプブラック、サーマルブラック、アセチレンブラックなどのカーボンブラックが好ましく用いられうる。かようなカーボン粒子は、市販品を用いることができ、キャボット社製バルカンXC−72、バルカンP、ブラックパールズ880、ブラックパールズ1100、ブラックパールズ1300、ブラックパールズ2000、リーガル400、ライオン社製ケッチェンブラックEC、三菱化学社製#3150、#3250などのオイルファーネスブラック;電気化学工業社製デンカブラック、電気化学工業社製のアセチレンブラックAB−6などのアセチレンブラック等が挙げられる。また、カーボンブラックのほか、天然の黒鉛、ピッチ、コークス、ポリアクリロニトリル、フェノール樹脂、フラン樹脂などの有機化合物から得られる人工黒鉛や炭素などであってもよい。また、耐食性などを向上させるために、前記カーボン粒子に黒鉛化処理などの加工を行ってもよい。この際、上記導電性カーボンは、単独で使用されてもあるいは2種以上の混合物の形態で使用されてもよい。
Moreover, it does not specifically limit as electroconductive carbon, Conventionally well-known materials, such as carbon black, graphite (a granular graphite is included), expanded graphite, can be employ | adopted suitably. Among these, carbon black such as oil furnace black, channel black, lamp black, thermal black, acetylene black and the like can be preferably used because of excellent conductivity and a large specific surface area. A commercially available product can be used for such carbon particles, such as Vulcan XC-72, Vulcan P, Black Pearls 880, Black Pearls 1100, Black Pearls 1300, Black Pearls 2000,
導電性カーボンの粒径は、特に制限されない。上記非導電性不織布または織物の空孔径との関係を考慮すると、導電性カーボンの粒径(平均一次粒子径)は、2〜250nmであることが好ましく、10〜100nmであることがより好ましい。このような範囲であれば、導電性カーボンは非導電性不織布または織物の空孔内に効率よく連続的に配置して、十分な導電性を確保できる。なお、導電性カーボンの形状は特に限定されず、球状、棒状、針状、板状、柱状、不定形状、燐片状、紡錘状など任意の構造をとりうるが、粒状が好ましい。ここで、導電性カーボンの大きさは、公知の方法によって測定できるが、本明細書では、特に言及のない限り、走査型電子顕微鏡(SEM)や透過型電子顕微鏡(TEM)などの観察手段を用い、統計学的に有意な数の視野(例えば、数〜数十視野)中に観察される粒子の粒子径(直径)の平均値として算出される値を採用するものとする。また、「粒径」とは、粒子の輪郭線上の任意の2点間の距離のうち、最大の距離を意味するものとする。 The particle size of the conductive carbon is not particularly limited. Considering the relationship with the pore size of the non-conductive nonwoven fabric or woven fabric, the particle size (average primary particle size) of the conductive carbon is preferably 2 to 250 nm, and more preferably 10 to 100 nm. Within such a range, the conductive carbon can be efficiently and continuously disposed in the pores of the non-conductive nonwoven fabric or woven fabric to ensure sufficient conductivity. The shape of the conductive carbon is not particularly limited, and may be any structure such as a spherical shape, a rod shape, a needle shape, a plate shape, a column shape, an indefinite shape, a flake shape, or a spindle shape, but a granular shape is preferable. Here, the size of the conductive carbon can be measured by a known method. In this specification, an observation means such as a scanning electron microscope (SEM) or a transmission electron microscope (TEM) is used unless otherwise specified. A value calculated as an average value of particle diameters (diameters) of particles observed in a statistically significant number of visual fields (for example, several to several tens visual fields) shall be adopted. The “particle diameter” means the maximum distance among the distances between any two points on the particle outline.
ガス拡散層における導電性カーボンの含有量は、特に制限されない。導電性の向上などを考慮すると、導電性カーボンの含有量は、ガス拡散層に対して、好ましくは5〜40体積%、より好ましくは10〜25体積%である。 The content of conductive carbon in the gas diffusion layer is not particularly limited. Considering improvement in conductivity, the content of the conductive carbon is preferably 5 to 40% by volume, more preferably 10 to 25% by volume with respect to the gas diffusion layer.
ガス拡散層は、導電性カーボンを非導電性不織布または織物に保持されてなるが、さらに他の添加剤を含んでもよい。ここで、添加剤としては、特に制限されず、分散剤、分散助剤、撥水剤、結着用バインダなどが挙げられる。これらの添加剤は、1種であってもあるいは2種以上を併用してもよい。これらのうち、ガス拡散層は、撥水性をより高めてフラッディング現象などを防止することを目的として、撥水剤を含むことが好ましい。撥水剤としては、特に限定されないが、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)、ポリヘキサフルオロプロピレン、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体(FEP)などのフッ素系の高分子材料;ポリエチレン、ポリプロピレンなどの熱可塑性樹脂;ナフィオン(登録商標、デュポン社製)、アシプレックス(登録商標、旭化成株式会社製)、フレミオン(登録商標、旭硝子株式会社製)等のパーフルオロカーボンスルホン酸系ポリマー、パーフルオロカーボンホスホン酸系ポリマー、トリフルオロスチレンスルホン酸系ポリマー、エチレンテトラフルオロエチレン−g−スチレンスルホン酸系ポリマー、エチレン−テトラフルオロエチレン共重合体、ポリビニリデンフルオリド−パーフルオロカーボンスルホン酸系ポリマー等のフッ素系高分子電解質;溶剤可溶性フッ素系ポリマー、例えば、フルオロエチレン・ビニルエーテル共重合体(ルミフロン:商品名、旭硝子製)、リューフロン(商品名、大日本インキ製)、セラフルコート(商品名、セントラル硝子製)等のフルオロオレフィン共重合体;溶剤可溶型エラストマー共重合体(熱可塑性樹脂)、例えば、セプトン(SEPTON,クラレ製);低分子量ポリオレフィンワックス(熱可塑性樹脂)、例えば、ハイワックス(商標、三井化学)等が挙げられる。なかでも、撥水性、電極反応時の耐食性などに優れることから、フッ素系の高分子材料やフッ素系高分子電解質が好ましく用いられる。下記に詳述するように、250℃以下での熱処理工程を考慮すると、工業的な取り扱い性の観点から、フルオロエチレン・ビニルエーテル共重合体(ルミフロン:商品名、旭硝子製)及びセプトン(SEPTON,クラレ製)がより好ましく使用される。ガス拡散層が撥水剤を含む場合の、撥水剤の含有量(添加量)は、特に制限されない。例えば、撥水剤を、導電性カーボン100重量部に対して、0.01〜0.1重量部程度混合することが好ましい。このような量であれば、ガス拡散層は、導電性及び撥水性双方に満足する。 The gas diffusion layer is formed by holding conductive carbon in a nonconductive nonwoven fabric or woven fabric, but may further contain other additives. Here, the additive is not particularly limited, and examples thereof include a dispersant, a dispersion aid, a water repellent, and a binding binder. These additives may be used alone or in combination of two or more. Of these, the gas diffusion layer preferably contains a water repellent for the purpose of further improving water repellency and preventing flooding. Although it does not specifically limit as a water repellent, Fluorine-type high things, such as polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylidene fluoride (PVdF), polyhexafluoropropylene, and tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer (FEP), are included. Molecular materials; Thermoplastic resins such as polyethylene and polypropylene; perfluorocarbon sulfonic acids such as Nafion (registered trademark, manufactured by DuPont), Aciplex (registered trademark, manufactured by Asahi Kasei Co., Ltd.), Flemion (registered trademark, manufactured by Asahi Glass Co., Ltd.) Polymer, perfluorocarbon phosphonic acid polymer, trifluorostyrene sulfonic acid polymer, ethylene tetrafluoroethylene-g-styrene sulfonic acid polymer, ethylene-tetrafluoroethylene copolymer, polyvinylidene fluoride -Fluoropolymer electrolytes such as perfluorocarbon sulfonic acid polymers; solvent-soluble fluoropolymers such as fluoroethylene / vinyl ether copolymers (Lumiflon: trade name, manufactured by Asahi Glass), Ryuflon (trade name, manufactured by Dainippon Ink and Chemicals, Inc.) ), Fluoroolefin copolymers such as cerafull coat (trade name, manufactured by Central Glass); solvent-soluble elastomer copolymers (thermoplastic resin), for example, Septon (manufactured by SEPTON, Kuraray); low molecular weight polyolefin wax (heat Plastic resin), for example, high wax (trademark, Mitsui Chemicals) and the like. Of these, fluorine-based polymer materials and fluorine-based polymer electrolytes are preferably used because of their excellent water repellency and corrosion resistance during electrode reaction. As will be described in detail below, from the viewpoint of industrial handling, fluoroethylene vinyl ether copolymer (Lumiflon: trade name, manufactured by Asahi Glass) and Septon (SEPTON) Are more preferably used. When the gas diffusion layer contains a water repellent, the content (addition amount) of the water repellent is not particularly limited. For example, it is preferable to mix the water repellent with about 0.01 to 0.1 parts by weight with respect to 100 parts by weight of the conductive carbon. With such an amount, the gas diffusion layer satisfies both conductivity and water repellency.
ガス拡散層の厚みは、特に制限されないが、5〜500μmであることが好ましく、25〜250μmであることがより好ましい。このような厚みであれば、導電性カーボンを十分量保持できるため、十分な導電性を発揮できる。また、ガス拡散層としてのガス拡散機能および適切な排水性を持つことが可能でありうる。 Although the thickness in particular of a gas diffusion layer is not restrict | limited, It is preferable that it is 5-500 micrometers, and it is more preferable that it is 25-250 micrometers. With such a thickness, a sufficient amount of conductive carbon can be retained, so that sufficient conductivity can be exhibited. It may also be possible to have a gas diffusion function as a gas diffusion layer and appropriate drainage.
ガス拡散層は、MEAのカソード側およびアノード側の少なくとも一方に設けられていればよいが、好ましくはカソード及びアノード双方に設置されることが好ましい。 The gas diffusion layer may be provided on at least one of the cathode side and the anode side of the MEA, but is preferably provided on both the cathode and the anode.
(ガス拡散層の製造方法)
ガス拡散層の製造方法は、導電性カーボンを非導電性不織布または織物に保持できる限り、特に制限されない。例えば、導電性カーボンおよび溶剤を含むスラリーを非導電性不織布または織物に塗布した後、乾燥する方法などが挙げられる。ここで、塗布方法としては、特に制限されず、スプレーコート(噴霧法)、ディップコート(浸漬法)、スピンコート、バーコート、ロールコート、スクリーン印刷などの公知の方法が同様にしてあるいは適宜修飾して適用できる。好ましくは、浸漬法が適用される。また、乾燥条件は、導電性カーボンを非導電性不織布または織物に保持できる条件であれば特に制限されないが、時間、エネルギーコスト、量産の観点から、250℃以下の温度であることが好ましい。すなわち、本発明はまた、導電性カーボンおよび溶剤を含むスラリーに非導電性不織布または織物を浸漬し;前記浸漬後の非導電性不織布または織物を250℃以下の温度で熱処理することを有する本発明のガス拡散層の製造方法をも提供する。以下、本発明のガス拡散層の製造方法の好ましい形態を説明する。しかしながら、本発明は、下記形態に限定されるものではない。
(Method for producing gas diffusion layer)
The method for producing the gas diffusion layer is not particularly limited as long as the conductive carbon can be held on the nonconductive nonwoven fabric or woven fabric. For example, a method in which a slurry containing conductive carbon and a solvent is applied to a nonconductive nonwoven fabric or woven fabric and then dried may be used. Here, the application method is not particularly limited, and known methods such as spray coating (spraying method), dip coating (dipping method), spin coating, bar coating, roll coating, and screen printing are similarly modified or appropriately modified. Can be applied. Preferably, an immersion method is applied. The drying conditions are not particularly limited as long as the conductive carbon can be held on the non-conductive nonwoven fabric or woven fabric, but are preferably 250 ° C. or less from the viewpoint of time, energy cost, and mass production. That is, the present invention also includes immersing a non-conductive nonwoven fabric or woven fabric in a slurry containing conductive carbon and a solvent; and heat-treating the non-conductive nonwoven fabric or woven fabric after the immersion at a temperature of 250 ° C. or lower. A method for producing the gas diffusion layer is also provided. Hereinafter, the preferable form of the manufacturing method of the gas diffusion layer of this invention is demonstrated. However, the present invention is not limited to the following form.
まず、導電性カーボンおよび溶剤を含むスラリーを調製する。ここで、溶剤は、水、パーフルオロベンゼン、ジクロロペンタフルオロプロパン、メタノール、エタノール等のアルコール、トルエン等の石油系溶剤などが挙げられる。ここで、導電性カーボンの濃度は、特に制限されない。具体的には、スラリーにおける導電性カーボンの濃度は、好ましくは5〜25重量%、より好ましくは10〜20重量%である。このような濃度であれば、次の浸漬工程で非導電性不織布または織物に十分量の導電性カーボンを保持できる。 First, a slurry containing conductive carbon and a solvent is prepared. Here, examples of the solvent include water, alcohols such as perfluorobenzene, dichloropentafluoropropane, methanol and ethanol, and petroleum solvents such as toluene. Here, the concentration of the conductive carbon is not particularly limited. Specifically, the concentration of conductive carbon in the slurry is preferably 5 to 25% by weight, more preferably 10 to 20% by weight. If it is such a density | concentration, a sufficient amount of conductive carbon can be hold | maintained to a nonelectroconductive nonwoven fabric or textile fabric at the next immersion process.
また、上記スラリーは、導電性カーボンおよび溶剤に加えて、他の添加剤を含んでもよい。ここで、添加剤としては、特に制限されず、分散助剤、分散剤、撥水剤、結着バインダ剤などが挙げられる。添加剤の添加量は、特に制限されず、所望の効果(例えば、導電性カーボンの分散性や撥水性)などを考慮して適宜選択される。具体的には、添加剤は、導電性カーボンに対して、1〜10重量%程度添加されることが好ましい。なお、スラリーは、必要であれば、超音波処理しながら分散させてもよい(超音波分散処理)。このような処理によって、スラリーの粘度を下げるため、次工程で非導電性不織布または織物を浸漬した際に、導電性カーボンが非導電性不織布または織物の空孔内により効率的に侵入できる。 The slurry may contain other additives in addition to the conductive carbon and the solvent. Here, the additive is not particularly limited, and examples thereof include a dispersion aid, a dispersant, a water repellent, and a binder binder. The addition amount of the additive is not particularly limited, and is appropriately selected in consideration of a desired effect (for example, dispersibility and water repellency of conductive carbon). Specifically, the additive is preferably added in an amount of about 1 to 10% by weight with respect to the conductive carbon. If necessary, the slurry may be dispersed while being subjected to ultrasonic treatment (ultrasonic dispersion treatment). In order to lower the viscosity of the slurry by such treatment, when the nonconductive nonwoven fabric or woven fabric is dipped in the next step, the conductive carbon can more efficiently penetrate into the pores of the nonconductive nonwoven fabric or woven fabric.
次に、上記のようにして調製されたスラリーに非導電性不織布または織物を浸漬する。ここで、浸漬条件は、使用溶剤の揮発および凝固および粘度上昇を避ける範囲内で、十分量の導電性カーボンが非導電性不織布または織物に保持できる条件であれば、特に制限されない。例えば、溶剤として水を選定した場合には、浸漬温度は、好ましくは10〜80℃、より好ましくは20〜40℃である。また、浸漬時間は、好ましくは5秒〜15分、より好ましくは10秒〜5分である(漬ける作業は、あっさりしたものです。むしろ漬けた後に、ブラシで叩く作業(それでも約3分)のほうが時間が掛かるという程度です)。なお、上記浸漬工程は、必要により(例えば、より多くの導電性カーボンを保持するため)、繰り返し行ってもよい。また、浸漬工程後に、気泡を除去して均一な浸透を促進するために、減圧脱泡処理、表面に対するジグの物理的な接触(例えば、刷毛で擦ったり叩いたりして気泡を取り除く処理)、超音波処理などを行ってもよい。 Next, the nonconductive nonwoven fabric or woven fabric is immersed in the slurry prepared as described above. Here, the dipping conditions are not particularly limited as long as a sufficient amount of conductive carbon can be held in the non-conductive nonwoven fabric or woven fabric within a range that avoids volatilization and solidification of the solvent used and an increase in viscosity. For example, when water is selected as the solvent, the immersion temperature is preferably 10 to 80 ° C, more preferably 20 to 40 ° C. Further, the immersion time is preferably 5 seconds to 15 minutes, more preferably 10 seconds to 5 minutes (the operation of soaking is light, rather, the operation of tapping with a brush after being soaked (still about 3 minutes) Is more time consuming). In addition, you may repeat the said immersion process as needed (for example, in order to hold | maintain more conductive carbon). In addition, after the dipping process, in order to remove bubbles and promote uniform permeation, vacuum defoaming treatment, jig physical contact with the surface (for example, removal of bubbles by rubbing or hitting with a brush), Ultrasonic treatment or the like may be performed.
さらに、スラリーに浸漬した後、非導電性不織布または織物を乾燥(熱処理)する。ここで、乾燥条件は、非導電性不織布または織物から溶剤が除去されて導電性カーボンが表面及び空孔内に保持されればよいので、従来のように焼付(焼成)のための高温を必要としない。このため、時間、エネルギーコストの観点から、量産する上で非常に好ましい。このため、乾燥温度は、溶剤が除去できる温度であればよく、使用する溶剤の種類によって異なる。例えば、時間、エネルギーコストの観点から、乾燥温度は、250℃以下である。例えば、乾燥温度は、好ましくは60〜200℃であり、より好ましくは80〜150℃である。また、乾燥時間は、好ましくは5〜20分であり、より好ましくは2〜10分である。上記条件は、溶剤として水を選定した場合に特に好適に適用できる。なお、量産を考慮した場合には、溶剤として水を選定することが好ましい。また、乾燥工程では、乾燥炉中に気流を導入してもよい。このような操作を行うことにより、乾燥時間をより短縮することが可能である。このように、本形態の方法によると、低温でかつ短時間でガス拡散層を製造できるため、工業上の観点から非常に好ましい。なお、上記乾燥(熱処理)工程は、必要により(例えば、導電性カーボンを強固に保持するため)、繰り返し行ってもよい。 Furthermore, after being immersed in the slurry, the nonconductive nonwoven fabric or woven fabric is dried (heat treated). Here, the drying condition is such that the solvent is removed from the non-conductive nonwoven fabric or woven fabric and the conductive carbon is held on the surface and in the pores, so that a high temperature for baking (firing) is required as in the past. And not. For this reason, it is very preferable in mass production from the viewpoint of time and energy cost. For this reason, the drying temperature should just be the temperature which can remove a solvent, and changes with kinds of solvent to be used. For example, the drying temperature is 250 ° C. or less from the viewpoint of time and energy cost. For example, the drying temperature is preferably 60 to 200 ° C, more preferably 80 to 150 ° C. The drying time is preferably 5 to 20 minutes, more preferably 2 to 10 minutes. The above conditions can be applied particularly suitably when water is selected as the solvent. In consideration of mass production, it is preferable to select water as the solvent. In the drying process, an air flow may be introduced into the drying furnace. By performing such an operation, it is possible to further shorten the drying time. Thus, according to the method of this embodiment, the gas diffusion layer can be produced at a low temperature and in a short time, which is very preferable from an industrial viewpoint. In addition, you may repeat the said drying (heat processing) process as needed (for example, in order to hold | maintain conductive carbon firmly).
なお、上記にてガス拡散層を製造できるが、ガス拡散層の撥水性を向上するために、前記浸漬後の非導電性不織布または織物を撥水処理してもよい。ここで、撥水処理方法は、特に制限されないが、上記したような撥水剤を含む溶液中に浸漬することが操作の簡便さの点から好ましい。撥水剤溶液を調製するために使用できる溶媒としては、撥水剤を溶解できるものであれば特に制限されず、撥水剤の種類によって適宜選択できる。例えば、水、パーフルオロベンゼン、ジクロロペンタフルオロプロパン、メタノール、エタノール等のアルコール、トルエン等の石油系溶剤などが挙げられる。ここで、撥水剤の濃度は、特に制限されない。具体的には、撥水剤溶液における撥水剤の濃度(固形分濃度)は、好ましくは0.1〜25重量%、より好ましくは1〜5重量%である。このような濃度であれば、ガス拡散層に十分な撥水性を付与できる。 In addition, although a gas diffusion layer can be manufactured as described above, in order to improve the water repellency of the gas diffusion layer, the non-conductive nonwoven fabric or woven fabric after the immersion may be subjected to a water repellent treatment. Here, the water repellent treatment method is not particularly limited, but is preferably immersed in a solution containing the water repellent as described above from the viewpoint of ease of operation. The solvent that can be used to prepare the water repellent solution is not particularly limited as long as it can dissolve the water repellent, and can be appropriately selected depending on the type of the water repellent. Examples thereof include water, alcohols such as perfluorobenzene, dichloropentafluoropropane, methanol and ethanol, and petroleum solvents such as toluene. Here, the concentration of the water repellent is not particularly limited. Specifically, the concentration (solid content concentration) of the water repellent in the water repellent solution is preferably 0.1 to 25% by weight, more preferably 1 to 5% by weight. With such a concentration, sufficient water repellency can be imparted to the gas diffusion layer.
また、撥水剤溶液における浸漬条件は、十分量の撥水性をガス拡散層に付与できる条件であれば特に制限されないが、浸漬に用いる溶剤の揮発を防止するために、溶剤の沸点よりも20℃以上低く、溶液の増粘または凝固が起こらない範囲の温度で行うことが好ましい。例えば、パーフロロスルホン酸系ポリマーのアルコール溶液を使用した場合の浸漬温度は、好ましくは10〜60℃、より好ましくは20〜40℃である。また、浸漬時間は、好ましくは2秒〜15分、より好ましくは5秒〜10分である。なお、上記浸漬工程中、超音波処理または減圧脱泡処理等によるガス拡散層内部の気泡の除去を行うことが好ましい。なお、上記浸漬工程は、必要により(例えば、より撥水性を付与するため)、繰り返し行ってもよい。 Further, the immersion conditions in the water repellent solution are not particularly limited as long as a sufficient amount of water repellency can be imparted to the gas diffusion layer, but in order to prevent volatilization of the solvent used for immersion, the immersion condition is 20 It is preferable to carry out at a temperature that is lower than ° C. and does not cause thickening or coagulation of the solution. For example, the immersion temperature when an alcohol solution of a perfluorosulfonic acid polymer is used is preferably 10 to 60 ° C, more preferably 20 to 40 ° C. The immersion time is preferably 2 seconds to 15 minutes, more preferably 5 seconds to 10 minutes. In addition, it is preferable to remove the air bubbles inside the gas diffusion layer by ultrasonic treatment or reduced pressure defoaming treatment during the immersion step. In addition, you may repeat the said immersion process as needed (for example, in order to provide more water repellency).
さらに、撥水剤溶液に浸漬した後、ガス拡散層を乾燥(熱処理)する。すなわち、好ましくは、浸漬後でかつ熱処理前に、前記浸漬後の非導電性不織布または織物を撥水処理する。これにより、撥水処理されたガス拡散層が得られる。ここで、乾燥条件は、溶媒が除去されればよい。具体的には、乾燥温度は、溶剤が除去できる温度であればよく、使用する溶剤の種類によって異なる。例えば、時間、エネルギーコストの観点から、乾燥温度は、250℃以下であり、好ましくは80〜200℃であり、より好ましくは80〜150℃である。また、量産を考慮すると、乾燥時間は、好ましくは30秒〜20分であり、より好ましくは3分〜15分である。なお、上記乾燥(熱処理)工程は、必要により(例えば、導電性カーボンを強固に保持するまたは撥水性をより効率的に付与するため)、繰り返し行ってもよい。このように、本形態の方法によると、低温でかつ短時間でガス拡散層を製造できるため、工業上の観点から非常に好ましい。 Further, after being immersed in the water repellent solution, the gas diffusion layer is dried (heat treatment). That is, preferably, after the immersion and before the heat treatment, the nonconductive nonwoven fabric or woven fabric after the immersion is subjected to a water repellent treatment. As a result, a water-repellent gas diffusion layer is obtained. Here, the drying condition may be that the solvent is removed. Specifically, the drying temperature may be any temperature at which the solvent can be removed, and varies depending on the type of solvent used. For example, from the viewpoint of time and energy cost, the drying temperature is 250 ° C. or lower, preferably 80 to 200 ° C., more preferably 80 to 150 ° C. In consideration of mass production, the drying time is preferably 30 seconds to 20 minutes, more preferably 3 minutes to 15 minutes. In addition, you may repeat the said drying (heat processing) process as needed (for example, in order to hold | maintain electroconductive carbon firmly or to provide water repellency more efficiently). Thus, according to the method of this embodiment, the gas diffusion layer can be produced at a low temperature and in a short time, which is very preferable from an industrial viewpoint.
[固体高分子電解質膜]
固体高分子電解質膜2は、PEFC 1の運転時にアノード側(アノードガス拡散層またはアノード触媒層)で生成したプロトンを膜厚方向に沿ってカソード側(カソードガス拡散層またはカソード触媒層)へと選択的に透過させる機能を有する。また、固体高分子電解質膜2は、アノード側に供給される燃料ガスとカソード側に供給される酸化剤ガスとを混合させないための隔壁としての機能をも有する。
[Solid polymer electrolyte membrane]
The solid
高分子電解質膜2は、構成材料であるイオン交換樹脂の種類によって、フッ素系高分子電解質膜と炭化水素系高分子電解質膜とに大別される。フッ素系高分子電解質膜を構成するイオン交換樹脂としては、例えば、ナフィオン(登録商標、デュポン社製)、アシプレックス(登録商標、旭化成株式会社製)、フレミオン(登録商標、旭硝子株式会社製)等のパーフルオロカーボンスルホン酸系ポリマー、パーフルオロカーボンホスホン酸系ポリマー、トリフルオロスチレンスルホン酸系ポリマー、エチレンテトラフルオロエチレン−g−スチレンスルホン酸系ポリマー、エチレン−テトラフルオロエチレン共重合体、ポリビニリデンフルオリド−パーフルオロカーボンスルホン酸系ポリマーなどが挙げられる。耐熱性、化学的安定性などの発電性能を向上させるという観点からは、これらのフッ素系高分子電解質膜が好ましく用いられ、特に好ましくはパーフルオロカーボンスルホン酸系ポリマーから構成されるフッ素系高分子電解質膜が用いられる。
The
炭化水素系電解質として、具体的には、スルホン化ポリエーテルスルホン(S−PES)、スルホン化ポリアリールエーテルケトン、スルホン化ポリベンズイミダゾールアルキル、ホスホン化ポリベンズイミダゾールアルキル、スルホン化ポリスチレン、スルホン化ポリエーテルエーテルケトン(S−PEEK)、スルホン化ポリフェニレン(S−PPP)などが挙げられる。これらの炭化水素系高分子電解質膜は、原料が安価で製造工程が簡便であり、かつ材料の選択性が高いといった製造上の利点がある。 Specific examples of the hydrocarbon electrolyte include sulfonated polyethersulfone (S-PES), sulfonated polyaryletherketone, sulfonated polybenzimidazole alkyl, phosphonated polybenzimidazole alkyl, sulfonated polystyrene, and sulfonated poly. Examples include ether ether ketone (S-PEEK) and sulfonated polyphenylene (S-PPP). These hydrocarbon-based polymer electrolyte membranes have manufacturing advantages such as low cost raw materials, simple manufacturing processes, and high material selectivity.
なお、上述したイオン交換樹脂は、1種のみが単独で用いられてもよいし、2種以上が併用されてもよい。また、上述した材料のみに制限されず、その他の材料が用いられてもよい。 In addition, as for the ion exchange resin mentioned above, only 1 type may be used independently and 2 or more types may be used together. Moreover, it is not restricted only to the material mentioned above, Other materials may be used.
高分子電解質膜の厚さは、得られる燃料電池の特性を考慮して適宜決定すればよく、特に制限されない。電解質層の厚さは、通常は5〜300μm程度である。電解質層の厚さがかような範囲内の値であると、製膜時の強度や使用時の耐久性及び使用時の出力特性のバランスが適切に制御されうる。 The thickness of the polymer electrolyte membrane may be appropriately determined in consideration of the characteristics of the obtained fuel cell, and is not particularly limited. The thickness of the electrolyte layer is usually about 5 to 300 μm. When the thickness of the electrolyte layer is within such a range, the balance of strength during film formation, durability during use, and output characteristics during use can be appropriately controlled.
[触媒層]
触媒層(アノード触媒層3a、カソード触媒層3c)は、実際に電池反応が進行する層である。具体的には、アノード触媒層3aでは水素の酸化反応が進行し、カソード触媒層3cでは酸素の還元反応が進行する。
[Catalyst layer]
The catalyst layers (the
触媒層は、触媒成分、触媒成分を担持する導電性の触媒担体(導電性担体)、および電解質を含む。以下、触媒担体に触媒成分が担持されてなる複合体を「電極触媒」とも称する。 The catalyst layer includes a catalyst component, a conductive catalyst carrier (conductive carrier) that supports the catalyst component, and an electrolyte. Hereinafter, a composite in which a catalyst component is supported on a catalyst carrier is also referred to as an “electrode catalyst”.
アノード触媒層に用いられる触媒成分は、水素の酸化反応に触媒作用を有するものであれば特に制限はなく公知の触媒が同様にして使用できる。また、カソード触媒層に用いられる触媒成分もまた、酸素の還元反応に触媒作用を有するものであれば特に制限はなく公知の触媒が同様にして使用できる。具体的には、白金、ルテニウム、イリジウム、ロジウム、パラジウム、オスミウム、タングステン、鉛、鉄、クロム、コバルト、ニッケル、マンガン、バナジウム、モリブデン、ガリウム、アルミニウム等の金属およびこれらの合金などから選択されうる。 The catalyst component used in the anode catalyst layer is not particularly limited as long as it has a catalytic action in the oxidation reaction of hydrogen, and a known catalyst can be used in the same manner. The catalyst component used in the cathode catalyst layer is not particularly limited as long as it has a catalytic action for the oxygen reduction reaction, and a known catalyst can be used in the same manner. Specifically, it may be selected from metals such as platinum, ruthenium, iridium, rhodium, palladium, osmium, tungsten, lead, iron, chromium, cobalt, nickel, manganese, vanadium, molybdenum, gallium, aluminum, and alloys thereof. .
これらのうち、触媒活性、一酸化炭素等に対する耐被毒性、耐熱性などを向上させるために、少なくとも白金を含むものが好ましく用いられる。前記合金の組成は、合金化する金属の種類にもよるが、白金の含有量を30〜90原子%とし、白金と合金化する金属の含有量を10〜70原子%とするのがよい。なお、合金とは、一般に金属元素に1種以上の金属元素または非金属元素を加えたものであって、金属的性質をもっているものの総称である。合金の組織には、成分元素が別個の結晶となるいわば混合物である共晶合金、成分元素が完全に溶け合い固溶体となっているもの、成分元素が金属間化合物または金属と非金属との化合物を形成しているものなどがあり、本願ではいずれであってもよい。この際、アノード触媒層に用いられる触媒成分およびカソード触媒層に用いられる触媒成分は、上記の中から適宜選択されうる。本明細書では、特記しない限り、アノード触媒層用およびカソード触媒層用の触媒成分についての説明は、両者について同様の定義である。よって、一括して「触媒成分」と称する。しかしながら、アノード触媒層およびカソード触媒層の触媒成分は同一である必要はなく、上記したような所望の作用を奏するように、適宜選択されうる。 Among these, those containing at least platinum are preferably used in order to improve catalyst activity, poisoning resistance to carbon monoxide and the like, heat resistance, and the like. Although the composition of the alloy depends on the type of metal to be alloyed, the content of platinum is preferably 30 to 90 atomic%, and the content of the metal to be alloyed with platinum is preferably 10 to 70 atomic%. In general, an alloy is a generic term for a metal element having one or more metal elements or non-metal elements added and having metallic properties. The alloy structure consists of a eutectic alloy, which is a mixture of the component elements as separate crystals, a component element completely melted into a solid solution, and a component element composed of an intermetallic compound or a compound of a metal and a nonmetal. There is what is formed, and any may be used in the present application. At this time, the catalyst component used in the anode catalyst layer and the catalyst component used in the cathode catalyst layer can be appropriately selected from the above. In the present specification, unless otherwise specified, descriptions of the catalyst components for the anode catalyst layer and the cathode catalyst layer have the same definition for both. Therefore, they are collectively referred to as “catalyst components”. However, the catalyst components of the anode catalyst layer and the cathode catalyst layer do not have to be the same, and can be appropriately selected so as to exhibit the desired action as described above.
触媒成分の形状や大きさは、特に制限されず公知の触媒成分と同様の形状および大きさが採用されうる。例えば、触媒成分の形状は、粒状、鱗片状、層状などのものが使用できるが、粒状であることが好ましい。この際、触媒粒子の平均粒子径は、好ましくは1〜30nm、より好ましくは1〜10nm、さらに好ましくは1〜5nm、特に好ましくは2〜4nmである。触媒粒子の平均粒子径がかような範囲内の値であると、電気化学反応が進行する有効電極面積に関連する触媒利用率と担持の簡便さとのバランスが適切に制御されうる。なお、本発明における「触媒粒子の平均粒子径」は、X線回折における触媒成分の回折ピークの半値幅より求められる結晶子径や、透過型電子顕微鏡(TEM)より調べられる触媒成分の粒子径の平均値として測定されうる。 The shape and size of the catalyst component are not particularly limited, and the same shape and size as known catalyst components can be adopted. For example, the catalyst component may be granular, scale-like, or layered, but is preferably granular. At this time, the average particle diameter of the catalyst particles is preferably 1 to 30 nm, more preferably 1 to 10 nm, still more preferably 1 to 5 nm, and particularly preferably 2 to 4 nm. When the average particle diameter of the catalyst particles is within such a range, the balance between the catalyst utilization rate related to the effective electrode area where the electrochemical reaction proceeds and the ease of loading can be appropriately controlled. The “average particle diameter of the catalyst particles” in the present invention is the crystallite diameter determined from the half-value width of the diffraction peak of the catalyst component in X-ray diffraction, or the particle diameter of the catalyst component determined by a transmission electron microscope (TEM). It can be measured as an average value of.
上述した触媒成分は導電性担体に担持された電極触媒として触媒インクに含まれる。 The catalyst component described above is included in the catalyst ink as an electrode catalyst supported on a conductive carrier.
導電性担体は、上述した触媒成分を担持するための担体、および触媒成分と他の部材との間での電子の授受に関与する電子伝導パスとして機能する。前記導電性担体としては、触媒粒子を所望の分散状態で担持させるための比表面積を有し、集電体として十分な電子導電性を有しているものであればよく、主成分がカーボンであるのが好ましい。具体的には、カーボンブラック、活性炭、コークス、天然黒鉛、人造黒鉛などからなるカーボン粒子が挙げられる。なお、本発明において「主成分がカーボンである」とは、主成分として炭素原子を含むことをいい、炭素原子のみからなる、実質的に炭素原子からなる、の双方を含む概念である。場合によっては、燃料電池の特性を向上させるために、炭素原子以外の元素が含まれていてもよい。なお、実質的に炭素原子からなるとは、2〜3重量%程度以下の不純物の混入が許容されることを意味する。 The conductive carrier functions as a carrier for supporting the above-described catalyst component and an electron conduction path involved in the transfer of electrons between the catalyst component and another member. The conductive carrier may have any specific surface area for supporting the catalyst particles in a desired dispersed state and has sufficient electronic conductivity as a current collector. The main component is carbon. Preferably there is. Specific examples include carbon particles made of carbon black, activated carbon, coke, natural graphite, artificial graphite and the like. In the present invention, “the main component is carbon” refers to containing a carbon atom as a main component, and is a concept including both a carbon atom only and a substantially carbon atom. In some cases, elements other than carbon atoms may be included in order to improve the characteristics of the fuel cell. In addition, being substantially composed of carbon atoms means that mixing of impurities of about 2 to 3% by weight or less is allowed.
前記導電性担体のBET比表面積は、触媒成分を高分散担持させるのに十分な比表面積であればよいが、好ましくは20〜1600m2/g、より好ましくは80〜1200m2/gとするのがよい。前記比表面積が上記したような範囲であれば、導電性担体への触媒成分および高分子電解質が十分分散して十分な発電性能が得られ、また、触媒成分および高分子電解質を十分有効利用できる。 The BET specific surface area of the conductive carrier may be a specific surface area sufficient to carry the catalyst component in a highly dispersed state, but is preferably 20 to 1600 m 2 / g, more preferably 80 to 1200 m 2 / g. Is good. When the specific surface area is in the above range, the catalyst component and the polymer electrolyte are sufficiently dispersed on the conductive support to obtain sufficient power generation performance, and the catalyst component and the polymer electrolyte can be sufficiently effectively used. .
また、前記導電性担体の大きさは、特に限定されないが、担持の容易さ、触媒利用率、電極触媒層の厚みを適切な範囲で制御するなどの観点からは、平均粒子径が5〜200nm、好ましくは10〜100nm程度とするのがよい。 Further, the size of the conductive carrier is not particularly limited, but from the viewpoint of controlling the ease of loading, the catalyst utilization, and the thickness of the electrode catalyst layer within an appropriate range, the average particle size is 5 to 200 nm. The thickness is preferably about 10 to 100 nm.
前記導電性担体に触媒成分が担持された電極触媒において、触媒成分の担持量は、電極触媒の全量に対して、好ましくは10〜80重量%、より好ましくは30〜70重量%とするのがよい。触媒成分の担持量がかような範囲内の値であると、触媒担体上での触媒成分の分散度と触媒性能とのバランスが適切に制御されうる。なお、触媒成分の担持量は、誘導結合プラズマ発光分光法(ICP)によって調べることができる。 In the electrode catalyst in which the catalyst component is supported on the conductive carrier, the supported amount of the catalyst component is preferably 10 to 80% by weight, more preferably 30 to 70% by weight with respect to the total amount of the electrode catalyst. Good. When the supported amount of the catalyst component is within such a range, the balance between the degree of dispersion of the catalyst component on the catalyst support and the catalyst performance can be appropriately controlled. The amount of the catalyst component supported can be examined by inductively coupled plasma emission spectroscopy (ICP).
触媒層には、電極触媒に加えて、イオン伝導性の高分子電解質が含まれる。当該高分子電解質は特に限定されず従来公知の知見が適宜参照されうる。例えば、上述した電解質層を構成するイオン交換樹脂が、高分子電解質として触媒層に添加されうる。 The catalyst layer includes an ion conductive polymer electrolyte in addition to the electrode catalyst. The polymer electrolyte is not particularly limited, and conventionally known knowledge can be referred to as appropriate. For example, the ion exchange resin which comprises the electrolyte layer mentioned above can be added to a catalyst layer as a polymer electrolyte.
当該高分子電解質は特に限定されず従来公知の知見が適宜参照されうる。高分子電解質は、構成材料であるイオン交換樹脂の種類によって、フッ素系高分子電解質と炭化水素系高分子電解質とに大別される。なお、フッ素系高分子電解質と炭化水素系高分子電解質の具体的な説明は上記固体高分子電解質膜における説明と同様であるため、ここでは説明を省略する。これらのうち、高分子電解質は、耐熱性、化学的安定性などに優れることから、フッ素原子を含むのが好ましい。特に、ナフィオン(登録商標、デュポン社製)、アシプレックス(登録商標、旭化成株式会社製)、フレミオン(登録商標、旭硝子株式会社製)などのフッ素系電解質が好ましく挙げられる。 The polymer electrolyte is not particularly limited, and conventionally known knowledge can be referred to as appropriate. Polymer electrolytes are roughly classified into fluorine-based polymer electrolytes and hydrocarbon-based polymer electrolytes depending on the type of ion exchange resin that is a constituent material. The specific description of the fluorine-based polymer electrolyte and the hydrocarbon-based polymer electrolyte is the same as the description of the solid polymer electrolyte membrane, and the description thereof is omitted here. Among these, the polymer electrolyte preferably contains a fluorine atom because it is excellent in heat resistance, chemical stability, and the like. Particularly preferred are fluorine-based electrolytes such as Nafion (registered trademark, manufactured by DuPont), Aciplex (registered trademark, manufactured by Asahi Kasei Co., Ltd.), Flemion (registered trademark, manufactured by Asahi Glass Co., Ltd.), and the like.
また、導電性担体への触媒成分の担持は公知の方法で行うことができる。例えば、含浸法、液相還元担持法、蒸発乾固法、コロイド吸着法、噴霧熱分解法、逆ミセル(マイクロエマルジョン法)などの公知の方法が使用できる。または、電極触媒は、市販品を用いてもよい。 The catalyst component can be supported on the conductive carrier by a known method. For example, known methods such as impregnation method, liquid phase reduction support method, evaporation to dryness method, colloid adsorption method, spray pyrolysis method, reverse micelle (microemulsion method) can be used. Alternatively, a commercially available electrode catalyst may be used.
本発明の方法では、上記したような電極触媒、高分子電解質及び溶剤からなる触媒インクを、高分子電解質膜表面に塗布することによって、触媒層が形成される。この際、溶剤としては、特に制限されず、触媒層を形成するのに使用される通常の溶剤が同様にして使用できる。具体的には、水、シクロヘキサノールやエタノールや2−プロパノール等の低級アルコールが使用できる。また、溶剤の使用量もまた、特に制限されず公知と同様の量が使用できる。触媒インクにおいて、電極触媒は、所望の作用、即ち、水素の酸化反応(アノード側)及び酸素の還元反応(カソード側)を触媒する作用を十分発揮できる量であればいずれの量で、使用されてもよい。電極触媒が、触媒インク中、5〜30重量%、より好ましくは9〜20重量%となるような量で存在することが好ましい。 In the method of the present invention, a catalyst layer is formed by applying a catalyst ink comprising the electrode catalyst, polymer electrolyte and solvent as described above to the surface of the polymer electrolyte membrane. In this case, the solvent is not particularly limited, and usual solvents used for forming the catalyst layer can be used in the same manner. Specifically, water, lower alcohols such as cyclohexanol, ethanol and 2-propanol can be used. Further, the amount of the solvent used is not particularly limited, and a known amount can be used. In the catalyst ink, the electrocatalyst is used in any amount as long as it can sufficiently exhibit the desired action, that is, the action of catalyzing the oxidation reaction of hydrogen (anode side) and the reduction reaction of oxygen (cathode side). May be. It is preferable that the electrode catalyst is present in the catalyst ink in an amount of 5 to 30% by weight, more preferably 9 to 20% by weight.
本発明の触媒インクは、増粘剤を含んでもよい。増粘剤の使用は、触媒インクが転写用台紙上にうまく塗布できない場合などに有効である。この際使用できる増粘剤は、特に制限されず、公知の増粘剤が使用できるが、例えば、グリセリン、エチレングリコール(EG)、ポリビニルアルコール(PVA)、プロピレングリコール(PG)などが挙げられる。これらのうち、プロピレングリコール(PG)が好ましく使用される。これは、プロピレングリコール(PG)を使用することにより、触媒インクの沸点が高まり溶媒蒸発速度が小さくなる。このため、例えば、転写法で電解質膜に触媒層を形成する際に、触媒インク中にPGを添加することにより、塗布された触媒インク中の溶媒蒸発速度が抑制され、前記乾燥過程後の触媒層にひび割れ(クラック)が生じることを抑制・防止できる。このようにひび割れの少ない触媒層を膜に転写することで、膜への機械的応力集中が緩和され、その結果、MEAの耐久性が向上することができる。増粘剤を使用する際の、増粘剤の添加量は、本発明の上記効果を妨げない程度の量であれば特に制限されないが、触媒インクの全重量に対して、好ましくは5〜20重量%である。 The catalyst ink of the present invention may contain a thickener. The use of a thickener is effective when the catalyst ink cannot be successfully applied onto a transfer mount. The thickener that can be used in this case is not particularly limited, and a known thickener can be used. Examples thereof include glycerin, ethylene glycol (EG), polyvinyl alcohol (PVA), and propylene glycol (PG). Of these, propylene glycol (PG) is preferably used. The use of propylene glycol (PG) increases the boiling point of the catalyst ink and decreases the solvent evaporation rate. For this reason, for example, when a catalyst layer is formed on an electrolyte membrane by a transfer method, the solvent evaporation rate in the applied catalyst ink is suppressed by adding PG to the catalyst ink, and the catalyst after the drying process is suppressed. It is possible to suppress / prevent the occurrence of cracks in the layer. By transferring the catalyst layer with few cracks to the film in this way, mechanical stress concentration on the film is alleviated, and as a result, the durability of the MEA can be improved. The amount of the thickener added when using the thickener is not particularly limited as long as it does not interfere with the above effect of the present invention, but is preferably 5 to 20 with respect to the total weight of the catalyst ink. % By weight.
本発明の触媒インクは、電極触媒、電解質及び溶剤、ならびに必要であれば撥水性高分子および/または増粘剤、が適宜混合されたものであればその調製方法は特に制限されない。例えば、電解質を極性溶媒に添加し、この混合液を加熱・攪拌して、電解質を極性溶媒に溶解した後、これに電極触媒を添加することによって、触媒インクが調製できる。または、電解質を、溶剤中に一旦分散/懸濁された後、上記分散/懸濁液を電極触媒と混合して、触媒インクを調製してもよい。また、電解質が予め上記他の溶媒中に調製されている市販の電解質溶液(例えば、デュポン製のNafion溶液:1−プロパノール中に5wt%の濃度でNafionが分散/懸濁したもの)をそのまま上記方法に使用してもよい。 The catalyst ink of the present invention is not particularly limited in its preparation method as long as an electrode catalyst, an electrolyte and a solvent, and if necessary, a water-repellent polymer and / or a thickener are appropriately mixed. For example, a catalyst ink can be prepared by adding an electrolyte to a polar solvent, heating and stirring the mixed solution to dissolve the electrolyte in the polar solvent, and then adding an electrode catalyst thereto. Alternatively, after the electrolyte is once dispersed / suspended in a solvent, the dispersion / suspension may be mixed with an electrode catalyst to prepare a catalyst ink. In addition, a commercially available electrolyte solution (for example, DuPont Nafion solution: Nafion dispersed / suspended at a concentration of 5 wt% in 1-propanol) in which the electrolyte is previously prepared in the above other solvent is used as it is. May be used in the method.
上記したような触媒インクを、高分子電解質膜上にまたはガス拡散層上に、塗布して、各触媒層が形成される。この際、高分子電解質膜上へのカソード/アノード触媒層の形成条件は、特に制限されず、公知の方法が同様にしてあるいは適宜修飾を加えて使用できる。例えば、触媒インクを高分子電解質膜上に、乾燥後の厚みが所望の厚みになるように、塗布し、真空乾燥機内にてまたは減圧下で、25〜150℃、より好ましくは60〜120℃で、5〜30分間、より好ましくは10〜20分間、乾燥する。なお、上記工程において、触媒層の厚みが十分でない場合には、所望の厚みになるまで、上記塗布・乾燥工程を繰り返す。 Each catalyst layer is formed by applying the catalyst ink as described above on the polymer electrolyte membrane or the gas diffusion layer. At this time, the conditions for forming the cathode / anode catalyst layer on the polymer electrolyte membrane are not particularly limited, and can be used in the same manner as known methods or appropriately modified. For example, the catalyst ink is applied onto the polymer electrolyte membrane so that the thickness after drying becomes a desired thickness, and is 25 to 150 ° C., more preferably 60 to 120 ° C. in a vacuum dryer or under reduced pressure. And drying for 5 to 30 minutes, more preferably for 10 to 20 minutes. In addition, in the said process, when the thickness of a catalyst layer is not enough, the said application | coating and drying process is repeated until it becomes desired thickness.
また、単位触媒塗布面積当たりの触媒含有量(mg/cm2)は、特に制限されないが、十分な触媒の担体上での分散度、発電性能などを考慮すると、0.01〜1.0g/cm2である。ただし、触媒が白金または白金含有合金を含む場合、単位触媒塗布面積当たりの白金含有量が0.5g/cm2以下であることが好ましい。白金(Pt)や白金合金に代表される高価な貴金属触媒の使用は燃料電池の高価格要因となっている。したがって、高価な白金の使用量(白金含有量)を上記範囲まで低減し、コストを削減することが好ましい。下限値は発電性能が得られる限り特に制限されず、例えば、0.01g/cm2以上である。より好ましくは、当該白金含有量は0.05〜0.20g/cm2である。なお、本明細書において、「単位触媒塗布面積当たりの触媒(白金)含有量(g/cm2)」の測定(確認)には、誘導結合プラズマ発光分光法(ICP)を用いる。所望の「単位触媒塗布面積当たりの触媒(白金)含有量(g/cm2)」にせしめる方法も当業者であれば容易に行うことができ、インクの組成(触媒濃度)と塗布量を制御することで量を調整することができる。 Further, the catalyst content per unit catalyst application area (mg / cm 2 ) is not particularly limited, but in view of sufficient dispersion of the catalyst on the carrier, power generation performance, etc., 0.01 to 1.0 g / cm 2 . However, when the catalyst contains platinum or a platinum-containing alloy, the platinum content per unit catalyst coating area is preferably 0.5 g / cm 2 or less. The use of expensive noble metal catalysts typified by platinum (Pt) and platinum alloys has become a high cost factor for fuel cells. Therefore, it is preferable to reduce the amount of expensive platinum used (platinum content) to the above range and reduce the cost. The lower limit is not particularly limited as long as power generation performance is obtained, and is, for example, 0.01 g / cm 2 or more. More preferably, the platinum content is 0.05 to 0.20 g / cm 2 . In this specification, inductively coupled plasma emission spectroscopy (ICP) is used for the measurement (confirmation) of the “catalyst (platinum) content (g / cm 2 ) per unit catalyst application area”. A person skilled in the art can easily carry out a method of making the desired “catalyst (platinum) content per unit catalyst coating area (g / cm 2 )”, and control the ink composition (catalyst concentration) and coating amount. You can adjust the amount.
触媒層の厚みは触媒層(乾燥後)の厚みは、好ましくは0.5〜30μm、より好ましくは1〜20μm、さらに好ましくは1〜10μmである。なお、上記厚みは、カソード触媒層およびアノード触媒層双方に適用される。しかし、カソード触媒層及びアノード触媒層の厚みは、同じであってもあるいは異なってもよい。 The thickness of the catalyst layer is preferably 0.5 to 30 μm, more preferably 1 to 20 μm, and still more preferably 1 to 10 μm. In addition, the said thickness is applied to both a cathode catalyst layer and an anode catalyst layer. However, the thickness of the cathode catalyst layer and the anode catalyst layer may be the same or different.
[微細多孔質層(MPL)]
膜電極接合体(MEA)は、触媒層とガス拡散層との間に、必要であれば、微細多孔質層(MPL)を有していてもよい。ここで、微細多孔質層(MPL)は、特に制限されないが、ガス拡散係数が大きいことが好ましい。このような微細多孔質層(MPL)を用いることにより、ガス透過性をさらに向上して、ドライ条件と湿潤条件における発電性能をより効果的に両立することができる。このような微細多孔質層(MPL)としては、特に制限されないが、必要であれば撥水剤を含むカーボン粒子の集合体からなりうる。ここで、カーボン粒子としては、特に限定されず、カーボンブラック、黒鉛(粒状黒鉛を含む)、膨張黒鉛などの従来公知の材料が適宜採用されうる。なかでも、電子伝導性に優れ、比表面積が大きいことから、オイルファーネスブラック、チャネルブラック、ランプブラック、サーマルブラック、アセチレンブラックなどのカーボンブラックが好ましく用いられうる。かようなカーボン粒子は、市販品を用いることができ、キャボット社製バルカンXC−72、バルカンP、ブラックパールズ880、ブラックパールズ1100、ブラックパールズ1300、ブラックパールズ2000、リーガル400、ライオン社製ケッチェンブラックEC、三菱化学社製#3150、#3250などのオイルファーネスブラック;電気化学工業社製デンカブラックなどのアセチレンブラック等が挙げられる。また、カーボンブラックのほか、天然の黒鉛、ピッチ、コークス、ポリアクリロニトリル、フェノール樹脂、フラン樹脂などの有機化合物から得られる人工黒鉛や炭素などであってもよい。また、耐食性などを向上させるために、前記カーボン粒子に黒鉛化処理などの加工を行ってもよい。この際、上記材料は、単独で使用されてもあるいは2種以上の混合物の形態で使用されてもよい。
[Microporous layer (MPL)]
The membrane electrode assembly (MEA) may have a microporous layer (MPL) between the catalyst layer and the gas diffusion layer, if necessary. Here, the microporous layer (MPL) is not particularly limited, but preferably has a large gas diffusion coefficient. By using such a microporous layer (MPL), the gas permeability can be further improved, and the power generation performance under dry and wet conditions can be more effectively achieved. Such a microporous layer (MPL) is not particularly limited, but can be an aggregate of carbon particles containing a water repellent if necessary. Here, the carbon particles are not particularly limited, and conventionally known materials such as carbon black, graphite (including granular graphite), expanded graphite and the like can be appropriately employed. Among them, carbon black such as oil furnace black, channel black, lamp black, thermal black, acetylene black and the like can be preferably used because of excellent electron conductivity and a large specific surface area. A commercially available product can be used for such carbon particles, such as Vulcan XC-72, Vulcan P, Black Pearls 880, Black Pearls 1100, Black Pearls 1300, Black Pearls 2000,
前記カーボン粒子の粒径は、10〜100nm程度とするのがよい。これにより、ガス拡散係数が向上し、毛細管力による高い排水性が得られるとともに、触媒層との接触性も向上させることが可能となる。なお、カーボン粒子の形状は特に限定されず、球状、棒状、針状、板状、柱状、不定形状、燐片状、紡錘状など任意の構造をとりうる。本明細書中、「カーボン粒子の粒子径」は、導電性担体粒子の平均二次粒子径である。ここで、導電性担体粒子の平均二次粒子径の測定は、走査型電子顕微鏡(SEM)や透過型電子顕微鏡(TEM)などの観察手段を用い、数〜数十視野中に観察される粒子の粒子径の平均値として算出される値を採用するものとする。 The particle size of the carbon particles is preferably about 10 to 100 nm. As a result, the gas diffusion coefficient is improved, high drainage due to capillary force is obtained, and the contact property with the catalyst layer can be improved. The shape of the carbon particles is not particularly limited, and may take any structure such as a spherical shape, a rod shape, a needle shape, a plate shape, a column shape, an indefinite shape, a flake shape, and a spindle shape. In the present specification, “particle diameter of carbon particles” is an average secondary particle diameter of conductive carrier particles. Here, the measurement of the average secondary particle diameter of the conductive carrier particles is performed by using observation means such as a scanning electron microscope (SEM) or a transmission electron microscope (TEM), and particles observed in several to several tens of fields. The value calculated as the average value of the particle diameters of the particles shall be adopted.
微細多孔質層(MPL)は、撥水性をより高めてフラッディング現象などを防止することを目的として、撥水剤を含むことが好ましい。撥水剤としては、特に限定されないが、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)、ポリヘキサフルオロプロピレン、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体(FEP)などのフッ素系の高分子材料、ポリエチレン、ポリプロピレンなどの熱可塑性樹脂等が挙げられる。なかでも、撥水性、電極反応時の耐食性などに優れることから、フッ素系の高分子材料が好ましく用いられる。微細多孔質層(MPL)における、カーボン粒子と撥水剤との混合比は、カーボン粒子が多過ぎると期待するほど撥水性が得られない恐れがあり、撥水剤が多過ぎると十分な電子伝導性が得られない恐れがある。これらを考慮して、微細多孔質層(MPL)におけるカーボン粒子と撥水剤との混合比は、重量比で、90:10〜40:60程度とするのがよい。 The microporous layer (MPL) preferably contains a water repellent for the purpose of further improving the water repellency and preventing the flooding phenomenon. Although it does not specifically limit as a water repellent, Fluorine-type high things, such as polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylidene fluoride (PVdF), polyhexafluoropropylene, and tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer (FEP), are included. Examples thereof include molecular materials, thermoplastic resins such as polyethylene and polypropylene. Of these, fluorine-based polymer materials are preferably used because of their excellent water repellency and corrosion resistance during electrode reaction. In the microporous layer (MPL), the mixing ratio of the carbon particles to the water repellent may not be as good as the water repellent as expected when there are too many carbon particles. Conductivity may not be obtained. Considering these, the mixing ratio of the carbon particles and the water repellent in the microporous layer (MPL) is preferably about 90:10 to 40:60 in terms of weight ratio.
また、微細多孔質層(MPL)では、カーボン粒子がバインダにより結着されていてもよい。ここで用いられうるバインダとしては、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、ポリヘキサフルオロプロピレン、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体(FEP)などのフッ素系の高分子材料、フェノール樹脂、メラミン樹脂、ポリアミド樹脂などの熱硬化性樹脂や、ポリプロピレン、ポリエチレンなどの熱可塑性樹脂などが挙げられる。なお、上述した撥水剤とバインダとは一部重複する。したがって、好ましくは、撥水性を有するバインダを使用する。中でも、撥水性、電極反応時の耐食性などに優れることから、フッ素系の高分子材料が好ましく用いられ、特にポリテトラフルオロエチレン(PTFE)が好ましい。撥水性を有するバインダを用いることにより、微細多孔質層(MPL)内の細孔(カーボン粒子間)に撥水性が付与され、水の排出性を向上させることができる。なお、これらのバインダは1種類単独で用いてもよいし、または2種類以上併用してもよい。また、これら以外の高分子が用いられてもよい。 In the fine porous layer (MPL), carbon particles may be bound by a binder. Examples of the binder that can be used here include fluorine-based polymer materials such as polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylidene fluoride (PVDF), polyhexafluoropropylene, and tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer (FEP). And thermosetting resins such as phenol resin, melamine resin and polyamide resin, and thermoplastic resins such as polypropylene and polyethylene. Note that the above-described water repellent and binder partially overlap. Therefore, a binder having water repellency is preferably used. Among these, fluorine-based polymer materials are preferably used because of their excellent water repellency and corrosion resistance during electrode reaction, and polytetrafluoroethylene (PTFE) is particularly preferable. By using a binder having water repellency, water repellency is imparted to the pores (between carbon particles) in the microporous layer (MPL), and water drainage can be improved. In addition, these binders may be used individually by 1 type, or may be used together 2 or more types. Moreover, polymers other than these may be used.
微細多孔質層(MPL)におけるバインダの含有量は、微細多孔質層(MPL)内の空隙構造が所望の特性となるように適宜調整すればよい。具体的には、バインダの含有量は、微細多孔質層(MPL)の全重量に対して好ましくは5〜60重量%、より好ましくは10〜50重量%、さらに好ましくは12〜40重量%の範囲であるのが好ましい。バインダの配合割合が5重量%以上であれば粒子同士を良好に結合でき、60重量%以下であれば微細多孔質層(MPL)の電気抵抗の上昇を防止しうる。 What is necessary is just to adjust suitably content of the binder in a microporous layer (MPL) so that the space | gap structure in a microporous layer (MPL) may become a desired characteristic. Specifically, the binder content is preferably 5 to 60% by weight, more preferably 10 to 50% by weight, and still more preferably 12 to 40% by weight with respect to the total weight of the microporous layer (MPL). A range is preferred. If the blending ratio of the binder is 5% by weight or more, the particles can be bonded well, and if it is 60% by weight or less, an increase in the electrical resistance of the microporous layer (MPL) can be prevented.
微細多孔質層(MPL)の厚さは、特に制限されず、ガス拡散層の特性を考慮して適宜決定すればよい。微細多孔質層(MPL)の厚さは、好ましく3〜500μmであり、より好ましくは5〜300μmであり、さらに好ましくは10〜150μmであり、特に好ましくは20〜100μmである。かような範囲にあれば、機械的強度とガスおよび水などの透過性とのバランスが適切に制御できる。 The thickness of the microporous layer (MPL) is not particularly limited and may be appropriately determined in consideration of the characteristics of the gas diffusion layer. The thickness of the microporous layer (MPL) is preferably 3 to 500 μm, more preferably 5 to 300 μm, still more preferably 10 to 150 μm, and particularly preferably 20 to 100 μm. Within such a range, the balance between mechanical strength and permeability such as gas and water can be appropriately controlled.
[ガス拡散層基材]
膜電極接合体(MEA)は、ガス拡散層とセパレーターとの間に、必要であれば、ガス拡散層基材を有していてもよい。ここで、ガス拡散層基材としては、特に限定されず公知のものが同様にして使用できる。例えば、カーボンペーパー、カーボンクロス等の炭素繊維で形成された炭素製の織物、紙状抄紙体、フェルト、不織布といった導電性及び多孔質性を有するシート状材料;ならびに金属製メッシュ、エキスパンドメタル、エッチングプレートを基材とするものなどが挙げられる。前記基材の厚さは、特に制限されず所望の特性を考慮して適宜決定すればよいが、30〜500μm程度とすればよい。このような厚さであれば、十分な機械的強度ならびにガスや水などの透過性が確保できる。また、ガス拡散層基材は、撥水性をより高めてフラッディング現象などを防ぐことを目的として、撥水剤を含んでもよい。前記撥水剤としては、特に限定されないが、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)、ポリヘキサフルオロプロピレン、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体(FEP)などのフッ素系の高分子材料、ポリプロピレン、ポリエチレンなどが挙げられる。ここで、撥水処理方法は特に制限されず、一般的な撥水処理方法を用いて行えばよい。例えば、ガス拡散層基材を撥水剤の分散液に浸漬した後、オーブン等で加熱乾燥させる方法などが挙げられる。特にポリテトラフルオロエチレン(PTFE)の多孔体にカーボン粒子を含浸させて焼結させたシート体を用いることができる。シート体とすることによって、製造工程が簡易になり、また、燃料電池の各部材を積層する際の取り扱い及び組み立てが容易になる。また、MEAの排水特性、セパレータの表面性状によっては、ガス拡散層基材の撥水処理を行わない、または、親水処理を行ってもよい。
[Gas diffusion layer substrate]
The membrane electrode assembly (MEA) may have a gas diffusion layer base material between the gas diffusion layer and the separator, if necessary. Here, as a gas diffusion layer base material, it does not specifically limit but a well-known thing can be used similarly. For example, carbon paper, carbon cloth such as carbon paper, carbon-made woven fabric, paper-like paper body, felt, non-woven sheet-like material having conductivity and porosity; and metal mesh, expanded metal, etching The thing which uses a plate as a base material etc. are mentioned. The thickness of the substrate is not particularly limited and may be appropriately determined in consideration of desired characteristics, but may be about 30 to 500 μm. With such a thickness, sufficient mechanical strength and permeability such as gas and water can be secured. In addition, the gas diffusion layer base material may contain a water repellent for the purpose of further improving water repellency and preventing a flooding phenomenon or the like. Although it does not specifically limit as said water repellent, It is fluorine-type, such as polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylidene fluoride (PVdF), polyhexafluoropropylene, tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer (FEP). Examples thereof include polymer materials, polypropylene, and polyethylene. Here, the water repellent treatment method is not particularly limited, and a general water repellent treatment method may be used. For example, after immersing the gas diffusion layer base material in a water repellent dispersion, a method of heating and drying in an oven or the like can be used. In particular, a sheet body in which a porous body of polytetrafluoroethylene (PTFE) is impregnated with carbon particles and sintered can be used. By using the sheet body, the manufacturing process is simplified, and handling and assembly when the members of the fuel cell are stacked are facilitated. Further, depending on the drainage characteristics of MEA and the surface properties of the separator, the gas diffusion layer substrate may not be subjected to water repellent treatment or may be subjected to hydrophilic treatment.
また、ガス拡散層基材と微細多孔質層とを組み合わせたものを使用してもよい。この際、ガス拡散層基材上に微細多孔質層を形成する方法は特に制限されない。例えば、カーボン粒子、撥水剤等を、水、パーフルオロベンゼン、ジクロロペンタフルオロプロパン、メタノール、エタノール等のアルコール系溶媒などの溶媒中に分散させることによりスラリーを調製する。次に、このスラリーをガス拡散層基材上に塗布し乾燥、もしくは、前記スラリーを一度乾燥させ粉砕することで粉体にし、これを前記ガス拡散層上に塗布する方法などを用いればよい。その後、マッフル炉や焼成炉を用いて250〜400℃程度で熱処理を施すのが好ましい。または、ガス拡散層基材上に微細多孔質層が予め形成された市販品を使用してもよい。 Moreover, you may use what combined the gas diffusion layer base material and the microporous layer. At this time, the method for forming the fine porous layer on the gas diffusion layer substrate is not particularly limited. For example, a slurry is prepared by dispersing carbon particles, a water repellent, and the like in a solvent such as water, alcohol solvents such as perfluorobenzene, dichloropentafluoropropane, methanol, and ethanol. Next, the slurry may be applied on a gas diffusion layer substrate and dried, or the slurry may be dried and pulverized to form a powder, which may be applied onto the gas diffusion layer. Then, it is preferable to heat-process at about 250-400 degreeC using a muffle furnace or a baking furnace. Or you may use the commercial item by which the fine porous layer was previously formed on the gas diffusion layer base material.
[膜電極接合体の製造方法]
膜電極接合体の作製方法としては、特に制限されず、従来公知の方法を使用できる。例えば、電解質膜に触媒層をホットプレスで転写または塗布し、これを乾燥したものに、ガス拡散層を接合する方法が使用できる。また、アノードガス拡散層のアノード微細多孔質層側におよびカソードガス拡散層(カソード微細多孔質層を有する場合にはカソード微細多孔質層)にそれぞれアノード触媒層及びカソード触媒層を予め塗布して乾燥することによりガス拡散電極を2枚作製し、電解質膜の両面にこのガス拡散電極をホットプレスで接合する方法なども使用することができる。ホットプレス等の塗布、接合条件は、電解質膜や触媒層内の電解質の種類(パーフルオロスルホン酸系や炭化水素系)によって適宜調整すればよい。
[Production method of membrane electrode assembly]
A method for producing the membrane electrode assembly is not particularly limited, and a conventionally known method can be used. For example, a method of joining a gas diffusion layer to a catalyst layer that is transferred or applied to an electrolyte membrane by hot pressing and then dried can be used. In addition, an anode catalyst layer and a cathode catalyst layer are applied in advance to the anode microporous layer side of the anode gas diffusion layer and to the cathode gas diffusion layer (cathode microporous layer if a cathode microporous layer is provided), respectively. A method of producing two gas diffusion electrodes by drying and bonding the gas diffusion electrodes to both surfaces of the electrolyte membrane by hot pressing can also be used. Application and joining conditions such as hot pressing may be appropriately adjusted depending on the type of electrolyte (perfluorosulfonic acid type or hydrocarbon type) in the electrolyte membrane or the catalyst layer.
[セパレータ]
セパレータは、固体高分子型燃料電池などの燃料電池の単セルを複数個直列に接続して燃料電池スタックを構成する際に、各セルを電気的に直列に接続する機能を有する。また、セパレータは、燃料ガス、酸化剤ガス、および冷却剤を互に分離する隔壁としての機能も有する。これらの流路を確保するため、上述したように、セパレータのそれぞれにはガス流路および冷却流路が設けられていることが好ましい。セパレータを構成する材料としては、緻密カーボングラファイト、炭素板などのカーボンや、ステンレスなどの金属など、従来公知の材料が適宜制限なく採用できる。セパレータの厚さやサイズ、設けられる各流路の形状やサイズなどは特に限定されず、得られる燃料電池の所望の出力特性などを考慮して適宜決定できる。
[Separator]
The separator has a function of electrically connecting cells in series when a plurality of single cells of a fuel cell such as a polymer electrolyte fuel cell are connected in series to form a fuel cell stack. The separator also functions as a partition that separates the fuel gas, the oxidant gas, and the coolant from each other. In order to secure these flow paths, as described above, each of the separators is preferably provided with a gas flow path and a cooling flow path. As a material constituting the separator, conventionally known materials such as dense carbon graphite, carbon such as a carbon plate, and metal such as stainless steel can be appropriately employed without limitation. The thickness and size of the separator and the shape and size of each flow path provided are not particularly limited, and can be appropriately determined in consideration of the desired output characteristics of the obtained fuel cell.
前記燃料電池の種類としては、特に限定されず、上記した説明中では高分子電解質型燃料電池(PEFC)を例に挙げて説明したが、この他にも、アルカリ型燃料電池、ダイレクトメタノール型燃料電池、マイクロ燃料電池などが挙げられる。なかでも小型かつ高密度・高出力化が可能であるから、高分子電解質型燃料電池が好ましく挙げられる。また、前記燃料電池は、搭載スペースが限定される車両などの移動体用電源の他、定置用電源などとして有用であるが、特にシステムの起動/停止や出力変動が頻繁に発生する自動車用途で特に好適に使用できる。 The type of the fuel cell is not particularly limited. In the above description, the polymer electrolyte fuel cell (PEFC) has been described as an example. In addition, an alkaline fuel cell, a direct methanol fuel is used. Examples include batteries and micro fuel cells. Among them, a polymer electrolyte fuel cell is preferable because it is small in size, and can achieve high density and high output. The fuel cell is useful as a stationary power source in addition to a power source for a moving body such as a vehicle in which a mounting space is limited. However, the fuel cell is particularly useful for an automobile application in which system start / stop and output fluctuation frequently occur. It can be particularly preferably used.
燃料電池の製造方法は、特に制限されることなく、燃料電池の分野において従来公知の知見が適宜参照されうる。 The manufacturing method of the fuel cell is not particularly limited, and conventionally known knowledge can be appropriately referred to in the field of the fuel cell.
燃料電池を運転する際に用いられる燃料は特に限定されない。例えば、水素、メタノール、エタノール、1−プロパノール、2−プロパノール、1−ブタノール、第2級ブタノール、第3級ブタノール、ジメチルエーテル、ジエチルエーテル、エチレングリコール、ジエチレングリコールなどが用いられうる。なかでも、高出力化が可能である点で、水素やメタノールが好ましく用いられる。 The fuel used when operating the fuel cell is not particularly limited. For example, hydrogen, methanol, ethanol, 1-propanol, 2-propanol, 1-butanol, secondary butanol, tertiary butanol, dimethyl ether, diethyl ether, ethylene glycol, diethylene glycol and the like can be used. Of these, hydrogen and methanol are preferably used in that high output is possible.
さらに、燃料電池が所望する電圧を発揮できるように、セパレータを介して膜電極接合体を複数積層して直列に繋いだ構造の燃料電池スタックを形成してもよい。燃料電池の形状などは、特に限定されず、所望する電圧などの電池特性が得られるように適宜決定すればよい。 Furthermore, a fuel cell stack having a structure in which a plurality of membrane electrode assemblies are stacked and connected in series via a separator may be formed so that the fuel cell can exhibit a desired voltage. The shape of the fuel cell is not particularly limited, and may be determined as appropriate so that desired battery characteristics such as voltage can be obtained.
上述したPEFCや膜電極接合体は、ガス拡散性及び導電性に優れるガス拡散層を用いている。したがって、当該PEFCや膜電極接合体は優れた発電性能を発揮する。 The PEFC and membrane electrode assembly described above use a gas diffusion layer having excellent gas diffusibility and conductivity. Therefore, the PEFC and the membrane electrode assembly exhibit excellent power generation performance.
本発明の効果を、以下の実施例および比較例を用いて説明する。ただし、本発明の技術的範囲が以下の実施例のみに制限されるわけではない。なお、実施例において「部」または「%」の表示を用いるが、特に断りがない限り「重量部」または「重量%」を表す。また、特記しない限り、各操作は、室温(25℃)で行われる。 The effects of the present invention will be described using the following examples and comparative examples. However, the technical scope of the present invention is not limited only to the following examples. In the examples, “parts” or “%” is used, but “parts by weight” or “% by weight” is indicated unless otherwise specified. Unless otherwise specified, each operation is performed at room temperature (25 ° C.).
実施例1
(ガス拡散層の作製)
導電性カーボン(アセチレンブラックAB−6、平均一次粒子径=50nm、電気化学工業株式会社製)25.6g、分散助剤としてエマルゲン(サンノプコ株式会社、商品名:シックナー)1.4g、および水120gを加えた。この混合物を、プロペラ攪拌機で、10分間、攪拌を行い、ペースト状インクを得た。このペースト状インクを、60分間、超音波分散機で分散処理を行い、カーボンインクを調製した。上記超音波分散処理により、カーボンインクは低粘度となり、次工程での多孔体含浸に適した性状となった。このカーボンインクをレーザー回折散乱式粒度分布測定装置(マイクロトラップMT3000)で測定したところ、メジアン値(導電性カーボンの平均二次粒子径)が2.2μmとなる分散液を得た。
Example 1
(Production of gas diffusion layer)
Conductive carbon (acetylene black AB-6, average primary particle size = 50 nm, manufactured by Denki Kagaku Kogyo Co., Ltd.) 25.6 g, Emulgen (San Nopco Co., Ltd., trade name: thickener) 1.4 g as dispersion aid, and water 120 g Was added. This mixture was stirred with a propeller stirrer for 10 minutes to obtain a paste-like ink. The paste-like ink was subjected to a dispersion treatment with an ultrasonic disperser for 60 minutes to prepare a carbon ink. By the ultrasonic dispersion treatment, the carbon ink has a low viscosity, and has properties suitable for the porous body impregnation in the next step. When this carbon ink was measured with a laser diffraction / scattering particle size distribution analyzer (Microtrap MT3000), a dispersion having a median value (average secondary particle diameter of conductive carbon) of 2.2 μm was obtained.
80cm×80cmのガラス多孔体(非導電性不織布、57.7mg)を、上記で調整したカーボンインクに1分間、浸漬した後、引き上げた。なお、使用したガラス多孔体としては、日本板硝子株式会社製、商品名:TGP−015A(厚さ=160μm(19.6kPa荷重時)、空孔径=7.8μm、坪量=22g/m2、密度=0.136g/m3)を使用した。
このガラス多孔体を刷毛で表面を叩き、表面に付着した気泡を除いた後、120℃で8分間乾燥して、カーボン粒子・多孔体複合体を得た。
A glass porous body of 80 cm × 80 cm (non-conductive nonwoven fabric, 57.7 mg) was immersed in the carbon ink prepared above for 1 minute, and then pulled up. In addition, as a glass porous body used, Nippon Sheet Glass Co., Ltd., brand name: TGP-015A (thickness = 160 μm (when loaded with 19.6 kPa), pore diameter = 7.8 μm, basis weight = 22 g / m 2 , Density = 0.136 g / m 3 ) was used.
The glass porous body was hit with a brush to remove bubbles adhering to the surface, and then dried at 120 ° C. for 8 minutes to obtain a carbon particle / porous composite.
電解質溶液DE2020(DuPont社製,固形分濃度=21重量%)を10gを100gのエタノールで希釈して、撥水剤溶液(固形分濃度=2重量%)を調製した。この撥水剤溶液中に、前工程で作製したカーボン粒子・多孔体複合体を浸漬し、継続してカーボン粒子・多孔体複合体を浸漬した状態で超音波を2分照射して、内部の気泡を除去した。このようにして撥水処理されたカーボン粒子・多孔体複合体を120℃で10分乾燥(熱処理)して、ガス拡散層(165mg、0.46cc)を得た。このようにして得られたガス拡散層における導電性カーボンの含有量は、約13体積%であった。 10 g of electrolyte solution DE2020 (manufactured by DuPont, solid concentration = 21 wt%) was diluted with 100 g of ethanol to prepare a water repellent solution (solid concentration = 2 wt%). In this water repellent solution, the carbon particle / porous body composite prepared in the previous step is immersed, and ultrasonic waves are irradiated for 2 minutes while the carbon particle / porous body composite is continuously immersed in the water repellent solution. Air bubbles were removed. The carbon particle / porous body composite thus subjected to water repellency treatment was dried (heat treatment) at 120 ° C. for 10 minutes to obtain a gas diffusion layer (165 mg, 0.46 cc). The content of conductive carbon in the gas diffusion layer thus obtained was about 13% by volume.
このようにして得られたガス拡散層につい上記条件にてガーレー透気度を測定したところ、約1.23×10−4m2であった。なお、ガーレー透気度は、JIS P8117:2009に規定されるガーレー透気度測定器を使用し、外径28.6mmの円孔を有する締め付け板に押さえられた試料を100cc(0.1dm3)の空気が通過する時間(秒)を測定し、その値を用い、厚さで標準化されたPermeability(透気度、単位:m2)として算出した。 When the Gurley air permeability of the gas diffusion layer thus obtained was measured under the above conditions, it was about 1.23 × 10 −4 m 2 . For the Gurley air permeability, a Gurley air permeability measuring instrument defined in JIS P8117: 2009 was used, and a sample held by a clamping plate having a circular hole with an outer diameter of 28.6 mm was 100 cc (0.1 dm 3 ) Was measured as the permeability (air permeability, unit: m 2 ) normalized by the thickness.
また、このようにして得られたガス拡散層について、下記方法によって、電気抵抗を測定し、その結果を図2に示す。すなわち、面積0.95cm2のガス拡散層の両面を金箔で挟み、荷重をかけた状態で通電して測定した。電流値は1Aで、5MPaまでを1サイクルとし、2サイクル目の1MPaにおける値を測定した。その結果、2サイクル目の1MPaにおける電気抵抗は、約11mΩ/cm2であり、十分低い電気抵抗を示した。 The gas diffusion layer thus obtained was measured for electric resistance by the following method, and the result is shown in FIG. That is, the measurement was performed by energizing both surfaces of a gas diffusion layer having an area of 0.95 cm 2 between gold foils and applying a load. The current value was 1 A, up to 5 MPa was taken as one cycle, and the value at 1 MPa in the second cycle was measured. As a result, the electric resistance at 1 MPa in the second cycle was about 11 mΩ / cm 2 , indicating a sufficiently low electric resistance.
(小型発電セルの作製)
電極触媒としての白金担持カーボンと電解質樹脂バインダとしての20wt%Nafion(登録商標)を含有した溶液(DuPont社製、DE2020)とを、白金/電解質樹脂バインダの固形分重量比が1.1であり、電極触媒/電解質樹脂バインダの固形分重量比が0.55となるように混合して、触媒インクを調製した。ここで、白金担持カーボンとしては、田中貴金属工業株式会社製、TEC10E50E(白金担持量=50%)を使用した。
(Production of small power generation cells)
A solution containing platinum-supported carbon as an electrode catalyst and 20 wt% Nafion (registered trademark) as an electrolyte resin binder (DE2020, manufactured by DuPont) has a solid weight ratio of platinum / electrolyte resin binder of 1.1. The catalyst ink was prepared by mixing the electrode catalyst / electrolyte resin binder so that the solid weight ratio was 0.55. Here, as platinum carrying carbon, Tanaka Kikinzoku Kogyo TEC10E50E (platinum carrying amount = 50%) was used.
この触媒インクを電解質膜の両面に塗布してカソード触媒層(乾燥膜厚=8μm)及びアノード触媒層(乾燥膜厚=8μm)を形成し、アクティブエリア2cm×5cmとなるMEAを作製した。なお、電解質膜としては、電解質膜(Nafion(登録商標)NR211、DuPont社製、膜厚=25μm)を使用した。また、カソード触媒層での白金量が0.363g/cm2となるように、アノード触媒層での白金量が0.063g/cm2となるように、調整した。 This catalyst ink was applied to both surfaces of the electrolyte membrane to form a cathode catalyst layer (dry film thickness = 8 μm) and an anode catalyst layer (dry film thickness = 8 μm), thereby producing an MEA having an active area of 2 cm × 5 cm. As the electrolyte membrane, an electrolyte membrane (Nafion (registered trademark) NR211, manufactured by DuPont, film thickness = 25 μm) was used. The amount of platinum in the cathode catalyst layer so that the 0.363 g / cm 2, so that the amount of platinum in the anode catalyst layer is 0.063 g / cm 2, was prepared.
このようにして作製されたMEAに、アクティブエリア(2cm×5cm)と同サイズに切り抜いた上記ガス拡散層を各触媒層に重なるように配置して、発電セルを組み立てた。 The gas diffusion layer cut out to the same size as the active area (2 cm × 5 cm) was arranged on the MEA thus produced so as to overlap each catalyst layer, and a power generation cell was assembled.
このようにして得られた発電セルについて、以下の条件で発電試験評価を行った。下記条件において、負荷電流密度を0〜1.9A/cm2の範囲で掃引し、IV曲線を得、その結果を図3に示す。 The power generation cell thus obtained was subjected to power generation test evaluation under the following conditions. Under the following conditions, the load current density was swept in the range of 0 to 1.9 A / cm 2 to obtain an IV curve, and the result is shown in FIG.
図3から、本発明のガス拡散層を使用したMEAは、十分な発電性能を発揮できることが分かる。 From FIG. 3, it can be seen that the MEA using the gas diffusion layer of the present invention can exhibit sufficient power generation performance.
1 固体高分子形燃料電池(PEFC)、
2 固体高分子電解質膜、
3a アノード触媒層、
3c カソード触媒層、
4a アノードガス拡散層、
4c カソードガス拡散層、
8a アノードセパレータ、
8c カソードセパレータ、
9a アノードガス流路、
9c カソードガス流路、
10 MEA、
11 冷媒流路。
1 Polymer electrolyte fuel cell (PEFC),
2 solid polymer electrolyte membrane,
3a anode catalyst layer,
3c cathode catalyst layer,
4a Anode gas diffusion layer,
4c cathode gas diffusion layer,
8a anode separator,
8c cathode separator,
9a Anode gas flow path,
9c cathode gas flow path,
10 MEA,
11 Refrigerant flow path.
Claims (8)
前記非導電性不織布または織物の空孔径が、前記導電性カーボンの平均二次粒子径の3〜5倍である、ガス拡散層。 Conductive carbon kept nonconductive nonwoven or woven fabric Ri Na,
A gas diffusion layer in which the pore diameter of the non-conductive nonwoven fabric or woven fabric is 3 to 5 times the average secondary particle diameter of the conductive carbon .
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