JP7625355B2 - Gas diffusion layer, its manufacturing method, and polymer electrolyte fuel cell - Google Patents
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Description
本発明は、ガス拡散層及びその製造方法、並びに、固体高分子形燃料電池に関し、さらに詳しくは、液水の排出性能が高いガス拡散層及びその製造方法、並びに、このようなガス拡散層を備えた固体高分子形燃料電池に関する。 The present invention relates to a gas diffusion layer and a manufacturing method thereof, and a polymer electrolyte fuel cell, and more specifically, to a gas diffusion layer with high liquid water discharge performance and a manufacturing method thereof, and a polymer electrolyte fuel cell equipped with such a gas diffusion layer.
固体高分子形燃料電池は、固体高分子電解質からなる電解質膜の両面に電極(触媒層)が接合された膜電極接合体(MEA)を備えている。また、固体高分子形燃料電池において、触媒層の外側には、一般に、ガス拡散層が配置される。ガス拡散層は、触媒層に反応ガス及び電子を供給するためのものであり、カーボンペーパー、カーボンクロス等が用いられる。さらに、ガス拡散層の外側には、ガス流路を備えたセパレータが配置される。固体高分子形燃料電池は、通常、このようなMEA、ガス拡散層及びセパレータからなる単セルが複数個積層された構造(燃料電池スタック)を備えている。 A polymer electrolyte fuel cell has a membrane electrode assembly (MEA) in which electrodes (catalyst layers) are bonded to both sides of an electrolyte membrane made of a solid polymer electrolyte. In a polymer electrolyte fuel cell, a gas diffusion layer is generally arranged on the outside of the catalyst layer. The gas diffusion layer is used to supply reactant gas and electrons to the catalyst layer, and is made of carbon paper, carbon cloth, or the like. Furthermore, a separator with a gas flow path is arranged on the outside of the gas diffusion layer. A polymer electrolyte fuel cell usually has a structure (fuel cell stack) in which multiple single cells each made of such an MEA, gas diffusion layer, and separator are stacked.
固体高分子形燃料電池において、電解質膜が良好なプロトン伝導度を示すには、適度な含水率が必要である。そのため、発電時の燃料電池の温度が高い場合や供給ガス中に含まれる水分量が少ない場合には、電解質膜が乾燥し、性能が低下する。
一方、固体高分子形燃料電池を用いて発電を行うと、カソード側では電極反応により水が生成する。そのため、燃料電池の温度が低く、供給ガス中の水分量が多い場合には、カソード側のガス拡散層内において液水が発生しやすくなる。過剰の液水は、酸素輸送を阻害し、燃料電池の性能を低下させる原因となる。
In solid polymer fuel cells, the electrolyte membrane needs to have an appropriate water content to exhibit good proton conductivity. Therefore, if the temperature of the fuel cell during power generation is high or the water content in the supply gas is low, the electrolyte membrane dries out and performance decreases.
On the other hand, when power is generated using a polymer electrolyte fuel cell, water is produced on the cathode side due to an electrode reaction. Therefore, when the temperature of the fuel cell is low and the water content in the supply gas is high, liquid water is likely to be produced in the gas diffusion layer on the cathode side. Excess liquid water inhibits oxygen transport and causes a decrease in the performance of the fuel cell.
そこでこの問題を解決するために、従来から種々の提案がなされている。
例えば、特許文献1には、カソード側拡散層に穴が設けられ、穴内に水の排出を促進するための多孔質の導水部材が挿入された燃料電池が開示されている。
同文献には、カソード側拡散層に設けられた穴に導水部材を挿入すると、カソード側拡散層内に残留する水が導水部材を通して水の排出が促進される点が記載されている。
In order to solve this problem, various proposals have been made in the past.
For example, Patent Document 1 discloses a fuel cell in which holes are provided in the cathode side diffusion layer and a porous water-guiding member for promoting the discharge of water is inserted into the holes.
This document describes that when a water-guiding member is inserted into a hole provided in the cathode diffusion layer, the water remaining in the cathode diffusion layer passes through the water-guiding member, and the discharge of the water is promoted.
特許文献2には、カソード側ガス拡散層に直径1mmを超える貫通穴を設けた固体高分子形燃料電池が開示されている。
同文献には、
(A)氷点下始動時においては、触媒層と拡散層の界面で氷結が生じるために、燃料電池の起動性が損なわれる点、
(B)カソード側ガス拡散層に貫通穴を設けると、主として貫通穴の内周縁において氷結が生じ、触媒層と拡散層の界面における氷結が少なくなる点、及び、
(C)これによって、氷点下始動時における起動性が向上する点
が記載されている。
Patent Document 2 discloses a polymer electrolyte fuel cell in which a through hole having a diameter of more than 1 mm is provided in a cathode side gas diffusion layer.
The same document states:
(A) When starting up at temperatures below freezing, frost forms at the interface between the catalyst layer and the diffusion layer, impairing the start-up performance of the fuel cell;
(B) When through holes are provided in the cathode-side gas diffusion layer, freezing occurs mainly on the inner periphery of the through holes, and freezing at the interface between the catalyst layer and the diffusion layer is reduced; and
(C) It is described that this improves starting performance when starting the engine at temperatures below freezing.
さらに、特許文献3には、
(a)撥水処理されたカーボンペーパーの表面に、カーボンファイバーが互いに平行に配列するように、カーボンファイバーを含む中間層(撥水層)を形成するためのインクを塗布し、これを乾燥及び焼成し、
(b)剣山を用いて、中間層及びカーボンペーパーを貫通する第1縦穴を形成する
ことにより得られるガス拡散層が開示されている。
同文献には、
(A)縦穴のみでは、ガス拡散層内の水を十分に排出できない点、及び、
(B)中間層にカーボンファイバーを平行に配列させ、かつ、ガス拡散層を貫通する第1縦穴を形成すると、カーボンファイバー間に隙間(水が通る連通路)が形成され、隙間が第1縦穴と連通するために、水の排出が促進される点
が記載されている。
Furthermore, Patent Document 3 states:
(a) applying an ink for forming an intermediate layer (water-repellent layer) containing carbon fibers to the surface of a water-repellent treated carbon paper so that the carbon fibers are arranged parallel to each other, and then drying and baking the ink;
(b) A gas diffusion layer is disclosed in which a pinholder is used to form a first vertical hole penetrating the intermediate layer and the carbon paper.
The same document states:
(A) The water in the gas diffusion layer cannot be sufficiently discharged by the vertical hole alone, and
(B) It is described that when carbon fibers are arranged in parallel in the intermediate layer and first vertical holes penetrating the gas diffusion layer are formed, gaps (connecting passages through which water can pass) are formed between the carbon fibers, and the gaps communicate with the first vertical holes, thereby promoting the discharge of water.
特許文献1~3には、カソード側における液水の排水性能を向上させるための方法が提案されている。しかしながら、従来の方法は、いずれも排水性能が不十分である。
例えば、特許文献1の方法は、排水用の穴の個数密度が小さいために、排水性能が不十分である。
また、特許文献2の方法は、貫通穴の径が大きすぎるために、高電流密度条件下では貫通穴に液水が溜まり、触媒層へのガス供給を阻害する。
さらに、特許文献3の方法は、カーボン繊維はガスが通る微細孔を有さないため、貫通穴(第1縦穴)があっても、液水発生時に中間層に水が溜まった時点で、ガス拡散性が顕著に低下する。
そのため、従来の方法では、液水が発生しやすい環境下における発電性能(冷間電圧)の低下を抑制することができない。
Patent Documents 1 to 3 propose methods for improving the drainage performance of liquid water on the cathode side. However, the drainage performance of the conventional methods is insufficient.
For example, the method of Patent Document 1 has insufficient drainage performance because the number density of the drainage holes is low.
Furthermore, in the method of Patent Document 2, the diameter of the through-holes is too large, so that liquid water accumulates in the through-holes under high current density conditions, hindering the supply of gas to the catalyst layer.
Furthermore, in the method of Patent Document 3, since the carbon fiber does not have micropores through which gas can pass, even if there is a through hole (first vertical hole), when liquid water is generated and water accumulates in the intermediate layer, gas diffusibility is significantly reduced.
Therefore, the conventional method cannot suppress the decrease in power generation performance (cold voltage) in an environment where liquid water is likely to be generated.
本発明が解決しようとする課題は、液水の排出性能が高いガス拡散層及びその製造方法を提供することにある。
また、本発明が解決しようとする他の課題は、このようなガス拡散層を備えた固体高分子形燃料電池を提供することにある。
An object of the present invention is to provide a gas diffusion layer having high liquid water discharge performance and a method for producing the same.
Another object of the present invention is to provide a polymer electrolyte fuel cell equipped with such a gas diffusion layer.
上記課題を解決するために本発明に係るガス拡散層は、
導電性材料からなる多孔質の基材と、
前記基材の表面に形成されたマイクロポーラス層と
を備え、
前記マイクロポーラス層は、
ヒビの数密度が2個/mm2以上11個/mm2以下であり、
凹部の面積率が11%以上15%以下であるものからなる。
In order to solve the above problems, the gas diffusion layer according to the present invention comprises:
A porous substrate made of a conductive material;
A microporous layer formed on the surface of the substrate,
The microporous layer is
The number density of cracks is 2/ mm2 or more and 11/mm2 or less,
The area ratio of the recesses is 11% or more and 15% or less.
本発明に係る固体高分子形燃料電池は、以下の構成を備えている。
(1)前記固体高分子形燃料電池は、
固体高分子電解質膜からなる電解質膜の両面に、それぞれ、カソード側触媒層及びアノード側触媒層が接合された膜電極接合体と、
前記カソード側触媒層の外側に配置されたカソード側ガス拡散層と、
前記アノード側触媒層の外側に配置されたアノード側ガス拡散層と、
前記カソード側ガス拡散層の外側に配置されたカソード側セパレータと、
前記アノード側ガス拡散層の外側に配置されたアノード側セパレータと
を備えている。
(2)前記カソード側ガス拡散層は、本発明に係るガス拡散層からなる。
The polymer electrolyte fuel cell according to the present invention has the following configuration.
(1) The solid polymer electrolyte fuel cell is
a membrane electrode assembly in which a cathode catalyst layer and an anode catalyst layer are bonded to both sides of an electrolyte membrane made of a solid polymer electrolyte membrane;
a cathode-side gas diffusion layer disposed on the outer side of the cathode-side catalyst layer;
an anode-side gas diffusion layer disposed on the outer side of the anode-side catalyst layer;
a cathode-side separator disposed on the outer side of the cathode-side gas diffusion layer;
and an anode-side separator disposed on the outer side of the anode-side gas diffusion layer.
(2) The cathode side gas diffusion layer is made of the gas diffusion layer according to the present invention.
本発明に係るガス拡散層の製造方法は、
導電性材料からなる多孔質の基材を準備する第1工程と、
導電性粒子と、撥水性樹脂と、分散剤と、増粘剤と、水とを混合し、スラリーを調製する第2工程と、
前記基材の表面に前記スラリーを塗布し、乾燥させる第3工程と、
前記基材を焼成し、本発明に係るガス拡散層を得る第4工程と
を備えている。
The method for producing a gas diffusion layer according to the present invention comprises the steps of:
A first step of preparing a porous substrate made of a conductive material;
a second step of mixing the conductive particles, the water-repellent resin, the dispersant, the thickener, and water to prepare a slurry;
A third step of applying the slurry to a surface of the substrate and drying the slurry;
and a fourth step of sintering the substrate to obtain the gas diffusion layer according to the present invention.
多孔質の基材表面にマイクロポーラス層を形成する場合において、製造条件を最適化すると、ヒビの数密度及び凹部の面積率が所定の範囲にあるガス拡散層が得られる。
次に、このようなガス拡散層を用いて固体高分子形燃料電池を作製する場合において、製造条件を最適化すると、カソード側触媒層とマイクロポーラス層との界面に適度な空隙を形成することができる。
マイクロポーラス層のヒビ及びカソード側触媒層/マイクロポーラス層界面の隙間は、いずれも、カソード側の排水性能に影響を与える。そのため、これらが最適となるように製造条件を最適化すると、高い冷間電圧を示す固体高分子形燃料電池が得られる。
When a microporous layer is formed on the surface of a porous substrate, optimizing the manufacturing conditions makes it possible to obtain a gas diffusion layer in which the number density of cracks and the area ratio of recesses are within a predetermined range.
Next, in the case of producing a polymer electrolyte fuel cell using such a gas diffusion layer, by optimizing the production conditions, it is possible to form appropriate voids at the interface between the cathode side catalyst layer and the microporous layer.
Both the cracks in the microporous layer and the gaps at the cathode catalyst layer/microporous layer interface affect the drainage performance on the cathode side. Therefore, optimizing the manufacturing conditions to optimize these factors leads to a polymer electrolyte fuel cell that exhibits a high cold voltage.
以下、本発明の一実施の形態について詳細に説明する。
[1. ガス拡散層]
本発明に係るガス拡散層は、
導電性材料からなる多孔質の基材と、
前記基材の表面に形成されたマイクロポーラス層と
を備えている。
An embodiment of the present invention will be described in detail below.
[1. Gas diffusion layer]
The gas diffusion layer according to the present invention is
A porous substrate made of a conductive material;
and a microporous layer formed on the surface of the substrate.
[1. ガス拡散層]
[1.1. 基材]
[1.1.1. 材料]
本発明において、基材の材料は、特に限定されるものではなく、目的に応じて最適な材料を選択することができる。基材の材料としては、例えば、撥水処理された炭素繊維不織布、撥水処理されたカーボンペーパー、撥水処理されたカーボンクロスなどがある。
[1. Gas diffusion layer]
[1.1. Substrate]
[1.1.1. material]
In the present invention, the material of the substrate is not particularly limited, and an optimal material can be selected depending on the purpose. Examples of the substrate material include water-repellent carbon fiber nonwoven fabric, water-repellent carbon paper, and water-repellent carbon cloth.
[1.1.2. 厚さ]
基材の厚さは、特に限定されるものではなく、目的に応じて最適な厚さを選択することができる。一般に、基材の厚さが薄くなりすぎると、バネ性が低下し、燃料電池に組み付ける際に組み付け不良が生じる場合がある。また、基材の厚さが薄くなりすぎると、フラッディングが増大する場合がある。これは、リブを通じた放熱が促進され、基材の温度が低下するためである。従って、基材の厚さは、70μm以上が好ましい。基材の厚さは、さらに好ましくは、80μm以上、さらに好ましくは、100μm以上である。
一方、基材の厚さが厚くなりすぎると、ガス拡散抵抗が増大し、燃料電池の出力が低下する場合がある。従って、基材の厚さは、300μm以下が好ましい。基材の厚さは、さらに好ましくは、250μm以下、さらに好ましくは、200μm以下である。
1.1.2. Thickness
The thickness of the substrate is not particularly limited, and an optimal thickness can be selected depending on the purpose. In general, if the thickness of the substrate is too thin, the spring property decreases, and assembly failure may occur when assembling the substrate to a fuel cell. Furthermore, if the thickness of the substrate is too thin, flooding may increase. This is because heat dissipation through the ribs is promoted, and the temperature of the substrate decreases. Therefore, the thickness of the substrate is preferably 70 μm or more. The thickness of the substrate is more preferably 80 μm or more, and even more preferably 100 μm or more.
On the other hand, if the thickness of the substrate is too thick, the gas diffusion resistance increases, and the output of the fuel cell may decrease. Therefore, the thickness of the substrate is preferably 300 μm or less. The thickness of the substrate is more preferably 250 μm or less, and further preferably 200 μm or less.
[1.1.3. 空隙率]
基材の非圧縮状態の空隙率は、特に限定されるものではなく、目的に応じて最適な空隙率を選択することができる。
一般に、非圧縮状態の空隙率が小さくなりすぎると、放熱により温度が低下し、フラッディングの原因となる場合がある。従って、空隙率は、65%以上が好ましい。
一方、非圧縮状態の空隙率が大きくなりすぎると、基材の電気伝導性が不足する場合がある。従って、空隙率は、85%以下が好ましい。
[1.1.3. Porosity]
The porosity of the substrate in an uncompressed state is not particularly limited, and an optimal porosity can be selected depending on the purpose.
Generally, if the porosity in the uncompressed state is too small, the temperature will drop due to heat radiation, which may cause flooding. Therefore, the porosity is preferably 65% or more.
On the other hand, if the porosity in the uncompressed state is too large, the electrical conductivity of the substrate may be insufficient, so the porosity is preferably 85% or less.
[1.2. マイクロポーラス層]
[1.2.1. 材料]
マイクロポーラス層(以下、「MPL」ともいう)は、基材の触媒層側の表面に形成される。MPLは、触媒層で生成した水の排出を促進させるためのものである。MPLの材料は、このような機能を奏するものである限りにおいて、特に限定されない。MPLは、一般に、導電性材料からなる導電性粒子と、撥水性樹脂との混合物からなる。
導電性粒子としては、例えば、カーボンブラック、カーボンファイバー、黒鉛、活性炭などがある。また、撥水性樹脂としては、例えば、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などがある。
[1.2. Microporous layer]
[1.2.1. material]
A microporous layer (hereinafter also referred to as "MPL") is formed on the surface of the substrate on the catalyst layer side. The MPL is intended to promote the discharge of water generated in the catalyst layer. The material of the MPL is not particularly limited as long as it performs such a function. The MPL is generally made of a mixture of conductive particles made of a conductive material and a water-repellent resin.
Examples of the conductive particles include carbon black, carbon fiber, graphite, activated carbon, etc. Examples of the water-repellent resin include polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylidene fluoride (PVDF), polyhexafluoropropylene, etc.
[1.2.2. ヒビの数密度]
「ヒビ」とは、
(a)始点から終点までの長さ(直線距離)が80μm以上であり、
(b)マイクロポーラス層の表面に現れる幅の最大値が20μm以下であり、かつ、
(c)マイクロポーラス層を貫通している
線状の欠陥をいう。
「ヒビの数密度(個/mm2)」とは、単位面積当たりのヒビの個数であって、MPLの表面の観察領域に現れるヒビの個数Nを、観察領域の面積S(≧27mm2)で除した値(=N/S)をいう。
[1.2.2. Number density of cracks]
What is a "crack"?
(a) The length (straight-line distance) from the start point to the end point is 80 μm or more;
(b) The maximum width appearing on the surface of the microporous layer is 20 μm or less, and
(c) A linear defect that penetrates the microporous layer.
"Crack number density (pcs/ mm2 )" refers to the number of cracks per unit area, and is the value (=N/S) obtained by dividing the number N of cracks appearing in an observation area on the surface of the MPL by the area S (≧27 mm2 ) of the observation area.
MPL内のヒビは、触媒層で生成した水を基材側に排出する機能を有する。そのため、ヒビの数密度が小さくなりすぎると、ガス拡散層の排水性能が低下する場合がある。従って、ヒビの数密度は、2個/mm2以上である必要がある。数密度は、好ましくは、3個/mm2以上、さらに好ましくは、4個/mm2以上である。
一方、ヒビの数密度が高くなりすぎると、セル組み付け時にMPLが破断する場合がある。従って、ヒビの数密度は、11個/mm2以下である必要がある。数密度は、好ましくは、10個/mm2以下、さらに好ましくは、9個/mm2以下である。
The cracks in the MPL have the function of draining water generated in the catalyst layer to the substrate side. Therefore, if the number density of the cracks is too small, the drainage performance of the gas diffusion layer may decrease. Therefore, the number density of the cracks needs to be 2/ mm2 or more. The number density is preferably 3/ mm2 or more, more preferably 4/ mm2 or more.
On the other hand, if the number density of cracks becomes too high, the MPL may break during cell assembly. Therefore, the number density of cracks needs to be 11/mm2 or less . The number density is preferably 10/mm2 or less , and more preferably 9/mm2 or less .
[1.2.3. 凹部の面積率]
「凹部」とは、JIS B0671-2002に準拠して測定されるモチーフ平均長さが100μm以上である領域をいう。
「凹部の面積率」とは、MPLの表面の面積に対する凹部の面積の割合をいう。
[1.2.3. Area ratio of recesses]
The term "recess" refers to a region in which the average motif length measured in accordance with JIS B0671-2002 is 100 μm or more.
"Area ratio of recesses" refers to the ratio of the area of recesses to the surface area of the MPL.
凹部の面積率は、ガス拡散層を用いて燃料電池を作製した時に、触媒層とMPLとの界面に形成される隙間の量に影響を与える。また、隙間の量は、ガス拡散層の排水性能に影響を与える。一般に、凹部の面積率が小さくなりすぎると、触媒層/MPL界面に形成される隙間の量が過度に少なくなり、排水性能が低下する場合がある。従って、凹部の面積率は、11%以上である必要がある。面積率は、好ましくは、12%以上、さらに好ましくは、13%以上である。
一方、凹部の面積率が大きくなりすぎると、触媒層/MPL界面に形成される隙間の量が過度に大きくなり、かえって排水性能が低下する場合がある。従って、凹部の面積率は、15%以下である必要がある。面積率は、好ましくは、14.5%以下、さらに好ましくは、14%以下である。
The area ratio of the recesses affects the amount of gaps formed at the interface between the catalyst layer and the MPL when a fuel cell is produced using the gas diffusion layer. The amount of gaps also affects the drainage performance of the gas diffusion layer. In general, if the area ratio of the recesses is too small, the amount of gaps formed at the catalyst layer/MPL interface may be excessively small, resulting in a decrease in drainage performance. Therefore, the area ratio of the recesses needs to be 11% or more. The area ratio is preferably 12% or more, more preferably 13% or more.
On the other hand, if the area ratio of the recesses is too large, the amount of gaps formed at the catalyst layer/MPL interface becomes excessively large, and the drainage performance may deteriorate. Therefore, the area ratio of the recesses needs to be 15% or less. The area ratio is preferably 14.5% or less, and more preferably 14% or less.
[1.2.4. 厚さ]
MPLの厚さは、凹部の面積率に影響を与える。一般に、基材の凹凸に対してMPLの厚さが薄くなりすぎると、基材の凹凸がそのままMPLの表面に現れ、凹部の面積率が過度に大きくなる場合がある。従って、MPLの厚さは、10μm以上が好ましい。厚さは、さらに好ましくは、15μm以上、さらに好ましくは、20μm以上である。
一方、MPLの厚さが厚くなるほど、MPLの表面が平坦に近づく。しかしながら、MPLの厚さが厚くなりすぎると、ガス拡散抵抗が増大し、燃料電池の出力が低下する。従って、MPLの厚さは、60μm以下が好ましい。厚さは、さらに好ましくは、50μm以下、さらに好ましくは、40μm以下である。
1.2.4. Thickness
The thickness of the MPL affects the area ratio of the recesses. In general, if the thickness of the MPL is too thin compared to the unevenness of the substrate, the unevenness of the substrate will appear on the surface of the MPL as it is, and the area ratio of the recesses may become excessively large. Therefore, the thickness of the MPL is preferably 10 μm or more. The thickness is more preferably 15 μm or more, and more preferably 20 μm or more.
On the other hand, the thicker the MPL, the flatter the surface of the MPL becomes. However, if the MPL becomes too thick, the gas diffusion resistance increases and the output of the fuel cell decreases. Therefore, the thickness of the MPL is preferably 60 μm or less. The thickness is more preferably 50 μm or less, and more preferably 40 μm or less.
[1.3. 用途]
本発明に係るガス拡散層は、カソード側ガス拡散層及びアノード側ガス拡散層のいずれにも用いることができる。本発明に係るガス拡散層は、特に、カソード側ガス拡散層として好適である。カソード側はフラッディングが生じやすいので、本発明に係るガス拡散層をカソード側ガス拡散層として用いると、フラッディングを抑制することができる。
1.3. Uses
The gas diffusion layer according to the present invention can be used as either a cathode side gas diffusion layer or an anode side gas diffusion layer. The gas diffusion layer according to the present invention is particularly suitable as a cathode side gas diffusion layer. Since flooding is likely to occur on the cathode side, using the gas diffusion layer according to the present invention as the cathode side gas diffusion layer can suppress flooding.
[2. 固体高分子形燃料電池]
本発明に係る固体高分子形燃料電池は、
固体高分子電解質膜からなる電解質膜の両面に、それぞれ、カソード側触媒層及びアノード側触媒層が接合された膜電極接合体と、
前記カソード側触媒層の外側に配置されたカソード側ガス拡散層と、
前記アノード側触媒層の外側に配置されたアノード側ガス拡散層と、
前記カソード側ガス拡散層の外側に配置されたカソード側セパレータと、
前記アノード側ガス拡散層の外側に配置されたアノード側セパレータと
を備えている。
[2. Solid polymer fuel cell]
The polymer electrolyte fuel cell according to the present invention comprises:
a membrane electrode assembly in which a cathode catalyst layer and an anode catalyst layer are bonded to both sides of an electrolyte membrane made of a solid polymer electrolyte membrane;
a cathode-side gas diffusion layer disposed on the outer side of the cathode-side catalyst layer;
an anode-side gas diffusion layer disposed on the outer side of the anode-side catalyst layer;
a cathode-side separator disposed on the outer side of the cathode-side gas diffusion layer;
and an anode-side separator disposed on the outer side of the anode-side gas diffusion layer.
[2.1. 膜電極接合体]
膜電極接合体(MEA)は、固体高分子電解質からなる電解質膜の両面に、それぞれ、カソード側触媒層及びアノード側触媒層が接合されたものからなる。カソード側触媒層及びアノード側触媒層は、それぞれ、電極触媒と触媒層アイオノマとの複合体からなる。
本発明において、電解質膜を構成する固体高分子電解質の種類は、特に限定されるものではなく、目的に応じて最適な材料を選択することができる。
同様に、触媒層に含まれる電極触媒及び触媒層アイオノマの種類は、特に限定されるものではなく、目的に応じて最適な材料を選択することができる。
[2.1. Membrane electrode assembly]
The membrane electrode assembly (MEA) is composed of an electrolyte membrane made of a solid polymer electrolyte, on both sides of which a cathode catalyst layer and an anode catalyst layer are bonded. , each of which is composed of a composite of an electrode catalyst and a catalyst layer ionomer.
In the present invention, the type of solid polymer electrolyte constituting the electrolyte membrane is not particularly limited, and an optimum material can be selected depending on the purpose.
Similarly, the types of the electrode catalyst and catalyst layer ionomer contained in the catalyst layer are not particularly limited, and the most suitable materials can be selected depending on the purpose.
[2.2. カソード側ガス拡散層]
[2.2.1. 構造]
MEAのカソード側触媒層の外側には、カソード側ガス拡散層が配置される。本発明において、カソード側ガス拡散層には、本発明に係るガス拡散層が用いられる。ガス拡散層の詳細については、上述した通りであるので説明を省略する。
[2.2. Cathode-side gas diffusion layer]
2.2.1. Structure
A cathode-side gas diffusion layer is disposed on the outer side of the cathode-side catalyst layer of the MEA. In the present invention, the gas diffusion layer according to the present invention is used as the cathode-side gas diffusion layer. Details of the gas diffusion layer are as described above, and therefore will not be described here.
[2.2.2. 隙間の被覆率]
「隙間」とは、前記カソード側触媒層と前記カソード側ガス拡散層のマイクロポーラス層との界面に存在する面状欠陥をいい、
「隙間の被覆率」とは、前記マイクロポーラス層の表面の面積に占める前記隙間の面積の割合をいう。
2.2.2. Gap Coverage
"Gap" refers to a planar defect that exists at the interface between the cathode-side catalyst layer and the microporous layer of the cathode-side gas diffusion layer,
The "coverage rate of the gaps" refers to the ratio of the area of the gaps to the surface area of the microporous layer.
固体高分子形燃料電池は、MEA、ガス拡散層、及びセパレータを積層し、所定の締め付け圧力で締め付けることにより得られる。この時、ガス拡散層及びセパレータの構造、並びに、締め付け圧力を最適化すると、カソード側の触媒層とMPLとの間に適度な隙間を形成することができる。カソード側の触媒層とMPLとの間に形成される隙間は、カソード側ガス拡散層の排水性能に影響を与える。 A polymer electrolyte fuel cell is obtained by stacking the MEA, gas diffusion layer, and separator and clamping them with a specified clamping pressure. At this time, by optimizing the structure of the gas diffusion layer and separator, as well as the clamping pressure, an appropriate gap can be formed between the cathode catalyst layer and the MPL. The gap formed between the cathode catalyst layer and the MPL affects the drainage performance of the cathode gas diffusion layer.
隙間の被覆率が小さくなりすぎると、カソード触媒とMPLの接触面積が増大し、これによりカソード触媒からの放熱が促進されるため、カソード側ガス拡散層の排水性能が低下する場合がある。従って、隙間の被覆率は、11%以上が好ましい。被覆率は、さらに好ましくは、12%以上、さらに好ましくは、13%以上である。
一方、隙間の被覆率が大きくなりすぎると、界面の断熱性が必要以上に向上し、MPLにおいてフラッディングが起きる場合がある。従って、隙間の被覆率は、15%以下が好ましい。隙間の被覆率は、さらに好ましくは、14.5%以下、さらに好ましくは、14%以下である。
If the coverage of the gap is too small, the contact area between the cathode catalyst and the MPL increases, which promotes heat dissipation from the cathode catalyst, and the drainage performance of the cathode-side gas diffusion layer may decrease. Therefore, the coverage of the gap is preferably 11% or more. The coverage is more preferably 12% or more, and even more preferably 13% or more.
On the other hand, if the coverage of the gap is too large, the insulation of the interface is improved more than necessary, and flooding may occur in the MPL. Therefore, the coverage of the gap is preferably 15% or less. The coverage of the gap is more preferably 14.5% or less, and even more preferably 14% or less.
[2.3. アノード側ガス拡散層]
MEAのアノード側触媒層の外側には、アノード側ガス拡散層が配置される。本発明において、アノード側ガス拡散層の構造は、特に限定されない。
アノード側ガス拡散層は、通常、導電性材料からなる多孔質の基材と、基材の表面に形成されたマイクロポーラス層とを備えている。アノード側ガス拡散層は、カソード側ガス拡散層と同一の構造を備えているものでも良く、あるいは、異なる構造を備えているものでも良い。アノード側ガス拡散層に関するその他の点は、カソード側ガス拡散層と同一であるので、説明を省略する。
[2.3. Anode-side gas diffusion layer]
An anode-side gas diffusion layer is disposed on the outer side of the anode-side catalyst layer of the MEA. In the present invention, the structure of the anode-side gas diffusion layer is not particularly limited.
The anode-side gas diffusion layer usually comprises a porous substrate made of a conductive material and a microporous layer formed on the surface of the substrate. The anode-side gas diffusion layer may have the same structure as the cathode-side gas diffusion layer, or may have a different structure. Other points regarding the anode-side gas diffusion layer are the same as those of the cathode-side gas diffusion layer, so a description thereof will be omitted.
[2.4. カソード側セパレータ]
カソード側ガス拡散層の外側には、さらにカソード側セパレータが配置される。カソード側セパレータは、酸化剤ガスを流すためのガス流路を備えている。本発明において、カソード側ガス拡散層の構造は、カソード側触媒層に酸化剤ガスを供給可能なものである限りにおいて、特に限定されない。
[2.4. Cathode-side separator]
A cathode-side separator is further disposed on the outer side of the cathode-side gas diffusion layer. The cathode-side separator has a gas flow path for flowing an oxidant gas. In the present invention, the structure of the cathode-side gas diffusion layer is not particularly limited as long as it is capable of supplying an oxidant gas to the cathode-side catalyst layer.
カソード側セパレータは、特に、複数の直線状のガス流路がリブを介して平行に並んでいる構造を備えているものが好ましい。この場合、リブの幅及びピッチは、固体高分子形燃料電池の性能に影響を与える。 The cathode separator is preferably one having a structure in which multiple linear gas flow paths are arranged in parallel with ribs. In this case, the width and pitch of the ribs affect the performance of the polymer electrolyte fuel cell.
リブの幅が狭くなりすぎると、基材のカーボン繊維が折れる場合がある。従って、リブの幅は、0.1mm以上が好ましい。リブの幅は、さらに好ましくは、0.2mm以上、さらに好ましくは、0.5mm以上である。
一方、リブの幅が広くなりすぎると、リブ下のガス拡散抵抗が増大する場合がある。従って、リブの幅は、2.0mm以下が好ましい。リブの幅は、さらに好ましくは、1.5mm以下、さらに好ましくは、1.0mm以下である。
If the width of the rib is too narrow, the carbon fiber of the base material may break. Therefore, the width of the rib is preferably 0.1 mm or more. The width of the rib is more preferably 0.2 mm or more, and further preferably 0.5 mm or more.
On the other hand, if the rib width is too wide, the gas diffusion resistance under the rib may increase. Therefore, the rib width is preferably 2.0 mm or less. The rib width is more preferably 1.5 mm or less, and further preferably 1.0 mm or less.
リブのピッチが狭くなりすぎると、圧損が増大する場合がある。従って、リブのピッチは、0.3mm以上が好ましい。リブのピッチは、さらに好ましくは、0.5mm以上、さらに好ましくは、1.0mm以上である。
一方、リブのピッチが広くなりすぎると、基材のたわみにより流路の有効断面積が減少するために、圧損が増大する場合がある。従って、リブのピッチは、2.0mm以下が好ましい。リブのピッチは、さらに好ましくは、1.5mm以下、さらに好ましくは、1.0mm以下である。
If the rib pitch is too narrow, pressure loss may increase. Therefore, the rib pitch is preferably 0.3 mm or more. The rib pitch is more preferably 0.5 mm or more, and even more preferably 1.0 mm or more.
On the other hand, if the rib pitch is too wide, the effective cross-sectional area of the flow path is reduced due to bending of the substrate, which may increase pressure loss. Therefore, the rib pitch is preferably 2.0 mm or less. The rib pitch is more preferably 1.5 mm or less, and even more preferably 1.0 mm or less.
[2.5. アノード側セパレータ]
アノード側ガス拡散層の外側には、さらにアノード側セパレータが配置される。アノード側セパレータは、燃料ガスを流すためのガス流路を備えている。本発明において、アノード側ガス拡散層の構造は、アノード側触媒層に燃料ガスを供給可能なものである限りにおいて、特に限定されない。
アノード側セパレータは、カソード側セパレータと同一の構造を備えていても良く、あるいは、異なる構造を備えていても良い。アノード側セパレータに関するその他の点は、カソード側セパレータと同様であるので、説明を省略する。
[2.5. Anode side separator]
An anode-side separator is further disposed on the outer side of the anode-side gas diffusion layer. The anode-side separator has a gas flow path for allowing a fuel gas to flow. In the present invention, the structure of the anode-side gas diffusion layer is not particularly limited as long as it is capable of supplying the fuel gas to the anode-side catalyst layer.
The anode-side separator may have the same structure as the cathode-side separator, or may have a different structure. Other points regarding the anode-side separator are the same as those of the cathode-side separator, so the description will be omitted.
[2.6. 締め付け圧力]
固体高分子形燃料電池を作製する際の締め付け圧力は、隙間の被覆率に影響を与える。一般に、締め付け圧力が小さくなりすぎると、隙間の被覆率が過度に大きくなる場合がある。従って、締め付け圧力は、0.8MPa以上が好ましい。締め付け圧力は、さらに好ましくは、0.9MPa以上、さらに好ましくは、1.0MPa以上である。
一方、締め付け圧力が大きくなりすぎると、隙間の被覆率が過度に小さくなる場合がある。従って、締め付け圧力は、2.0MPa以下が好ましい。締め付け圧力は、さらに好ましくは、1.8MPa以下、さらに好ましくは、1.6MPa以下である。
2.6. Clamping Pressure
The clamping pressure when producing a polymer electrolyte fuel cell affects the gap coverage. In general, if the clamping pressure is too low, the gap coverage may become excessively large. Therefore, the clamping pressure is preferably 0.8 MPa or more. The clamping pressure is more preferably 0.9 MPa or more, and even more preferably 1.0 MPa or more.
On the other hand, if the clamping pressure is too high, the coverage of the gap may become excessively small. Therefore, the clamping pressure is preferably 2.0 MPa or less. The clamping pressure is more preferably 1.8 MPa or less, and even more preferably 1.6 MPa or less.
[2.7. 冷間電圧]
「冷間電圧」とは、セル温度が30℃である状態から始動させ、10秒経過した時の、電流密度が1A/cm2である時のセル電圧をいう。
2.7. Cold voltage
The term "cold voltage" refers to the cell voltage when the current density is 1 A/cm 2 after 10 seconds from starting with the cell temperature at 30°C.
燃料電池を低温で始動させると、カソードにおいて生成水が凝縮しやすくなる。この場合において、カソード側ガス拡散層の排水性能が低いと、生成水がカソード側ガス拡散層に滞留しやすくなる。カソード側ガス拡散層に生成水が滞留すると、酸素の拡散が阻害され、セル電圧が低下する。
これに対し、本発明に係る燃料電池は、MPLのヒビの数密度、及び、隙間の被覆率が最適化されているので、高い排水性能を示す。そのため、冷間電圧は、0.65V以上となる。燃料電池の製造条件をさらに最適化すると、冷間電圧は、0.655V以上、あるいは、0.66V以上となる。
When a fuel cell is started at a low temperature, the generated water is likely to condense at the cathode. In this case, if the drainage performance of the cathode-side gas diffusion layer is poor, the generated water is likely to accumulate in the cathode-side gas diffusion layer. If the generated water accumulates in the cathode-side gas diffusion layer, oxygen diffusion is hindered, and the cell voltage decreases.
In contrast, the fuel cell according to the present invention has high drainage performance because the crack density and gap coverage of the MPL are optimized, and therefore the cold voltage is 0.65 V or higher. If the manufacturing conditions of the fuel cell are further optimized, the cold voltage will be 0.655 V or higher, or 0.66 V or higher.
[3. ガス拡散層の製造方法]
本発明に係るガス拡散層の製造方法は、
導電性材料からなる多孔質の基材を準備する第1工程と、
導電性粒子と、撥水性樹脂と、分散剤と、増粘剤と、水とを混合し、スラリーを調製する第2工程と、
前記基材の表面に前記スラリーを塗布し、乾燥させる第3工程と、
前記基材を焼成し、本発明に係るガス拡散層を得る第4工程と
を備えている。
[3. Manufacturing method of gas diffusion layer]
The method for producing a gas diffusion layer according to the present invention comprises the steps of:
A first step of preparing a porous substrate made of a conductive material;
a second step of mixing the conductive particles, the water-repellent resin, the dispersant, the thickener, and water to prepare a slurry;
A third step of applying the slurry to a surface of the substrate and drying the slurry;
and a fourth step of sintering the substrate to obtain the gas diffusion layer according to the present invention.
[3.1. 第1工程]
まず、導電性材料からなる多孔質の基材を準備する(第1工程)。
本発明において、基材の種類は、特に限定されない。基材には、市販品をそのまま用いても良く、あるいは、市販品に対して必要な処理を施しても良い。
[3.1. 1st process]
First, a porous substrate made of a conductive material is prepared (first step).
In the present invention, the type of the substrate is not particularly limited. A commercially available substrate may be used as is, or a commercially available substrate may be subjected to necessary treatment.
例えば、炭素繊維不織布は、カーボン繊維が物理的に絡み合っているだけであり、そのままでは繊維がばらけやすい。このような材料をガス拡散層の基材として用いる場合には、炭化させることが可能な樹脂を用いて、繊維間を接着するのが好ましい。
樹脂の種類は、炭化させることが可能なものである限りにおいて、特に限定されない。樹脂としては、例えば、フェノール樹脂、アクリル樹脂などがある。
For example, in the case of a carbon fiber nonwoven fabric, the carbon fibers are merely physically entangled, and the fibers tend to fall apart if left as is. When using such a material as the base material of a gas diffusion layer, it is preferable to bond the fibers together using a resin that can be carbonized.
The type of resin is not particularly limited as long as it can be carbonized, and examples of the resin include phenol resin and acrylic resin.
フェノール樹脂を用いた多孔質基材の処理は、具体的には、以下のようにして行うのが好ましい。
すなわち、多孔質の基材(例えば、炭素繊維不織布)にフェノール樹脂溶液を含浸させた後、圧縮空気で過剰な樹脂溶液を吹き飛ばすと、基材内部にある曲率半径の小さい領域(例えば、繊維間の接点近傍の領域)にのみ、樹脂溶液を残存させることができる
次に、基材を乾燥させた後、還元雰囲気で焼成し、樹脂を炭化させる。これにより、基材の多孔性を維持したまま、基材を補強することができる。
焼成温度は、樹脂の種類に応じて最適な温度を選択するのが好ましい。例えば、フェノール樹脂の場合、焼成温度は、500℃~1000℃が好ましい。
Specifically, the treatment of the porous substrate with the phenolic resin is preferably carried out as follows.
That is, after impregnating a porous substrate (e.g., carbon fiber nonwoven fabric) with a phenolic resin solution, the excess resin solution is blown off with compressed air, leaving the resin solution only in areas with a small radius of curvature inside the substrate (e.g., areas near the contact points between fibers). Next, the substrate is dried and then fired in a reducing atmosphere to carbonize the resin. This makes it possible to reinforce the substrate while maintaining its porosity.
The baking temperature is preferably selected to be optimal depending on the type of resin. For example, in the case of a phenolic resin, the baking temperature is preferably 500° C. to 1000° C.
[3.2. 第2工程]
次に、導電性粒子と、撥水性樹脂と、分散剤と、増粘剤と、水とを混合し、スラリーを調製する(第2工程)。
導電性粒子及び撥水性樹脂は、MPLの原料である。導電性粒子及び撥水性樹脂の詳細については、上述した通りであるので、説明を省略する。
分散剤は、導電性粒子及び撥水性樹脂を水に分散させるためのものである。増粘剤は、スラリーの粘度を高めるためのものである。本発明において、分散剤及び増粘剤の材料は、特に限定されるものではなく、目的に応じて最適な材料を選択することができる。
[3.2. 2nd process]
Next, the conductive particles, the water-repellent resin, the dispersant, the thickener, and water are mixed together to prepare a slurry (second step).
The conductive particles and the water-repellent resin are the raw materials of the MPL. Details of the conductive particles and the water-repellent resin are as described above, and therefore will not be described here.
The dispersant is for dispersing the conductive particles and the water-repellent resin in water. The thickener is for increasing the viscosity of the slurry. In the present invention, the materials of the dispersant and the thickener are There is no particular limitation on the material, and an optimum material can be selected depending on the purpose.
スラリーの固形分濃度及び粘度は、MPLのヒビの数密度及び凹部の面積率、並びに、ガス拡散層を用いて燃料電池を作製した時の隙間の被覆率に影響を与える。そのため、目的とする構造が得られるように、これらを選択するのが好ましい。
一般に、スラリーの固形分濃度が高くなるほど、ヒビの数密度は、高くなる傾向がある。また、スラリーの固形分濃度が高くなるほど、基材内部へのスラリーの染み込みが少なくなるために、凹部の面積率及び/又は隙間の被覆率は小さくなる傾向がある。固形分濃度は、具体的には、70重量%~90重量%が好ましい。
The solids concentration and viscosity of the slurry affect the number density of cracks and the area ratio of recesses in the MPL, as well as the coverage of gaps when a fuel cell is fabricated using the gas diffusion layer. Therefore, it is preferable to select these so as to obtain the desired structure.
In general, the higher the solids concentration of the slurry, the higher the number density of cracks tends to be. Also, the higher the solids concentration of the slurry, the less the slurry penetrates into the substrate, so the area ratio of the recesses and/or the coverage of the gaps tends to be smaller. Specifically, the solids concentration is preferably 70% by weight to 90% by weight.
一般に、スラリーの粘度が高くなるほど、乾燥時に塗膜内の水分の移動速度が遅くなるために、ヒビの数密度は高くなる傾向がある。また、スラリーの粘度が高くなるほど、基材内部へのスラリーの染み込みが少なくなるので、凹部の面積率及び/又は隙間の被覆率は小さくなる傾向がある。スラリーの粘度は、具体的には、1×103mPa・s~1×105mPa・sが好ましい。 In general, the higher the viscosity of the slurry, the slower the water transfer rate in the coating film during drying, and therefore the number density of cracks tends to be higher. Also, the higher the viscosity of the slurry, the less the slurry penetrates into the substrate, and therefore the area ratio of recesses and/or the coverage rate of gaps tends to be smaller. Specifically, the viscosity of the slurry is preferably 1×10 3 mPa·s to 1×10 5 mPa·s.
[3.3. 第3工程]
次に、前記基材の表面に前記スラリーを塗布し、乾燥させる(第3工程)。
スラリーの塗布量、スラリーの塗布圧、及び乾燥条件は、MPLのヒビの数密度及び凹部の面積率、並びに、隙間の被覆率に影響を与える。そのため、目的とする構造が得られるように、これらを選択するのが好ましい。
[3.3. Third step]
Next, the slurry is applied to the surface of the substrate and dried (third step).
The amount of the slurry applied, the pressure at which the slurry is applied, and the drying conditions affect the number density of cracks in the MPL, the area ratio of recesses, and the coverage rate of gaps. These are the preferred choices.
一般に、スラリーの塗布量が多くなるほど、ヒビの数密度は、高くなる傾向がある。また、スラリーの塗布量が多くなるほど、凹部の面積率及び/又は隙間の被覆率は小さくなる傾向がある。さらに、スラリーの塗布量が多くなるほど、スラリーを乾燥させることにより得られるMPLの厚さが厚くなる。従って、スラリーの塗布量は、これらを考慮して、最適な塗布量を選択するのが好ましい。 In general, the more the amount of slurry applied, the higher the number density of cracks tends to be. Also, the more the amount of slurry applied, the lower the area ratio of the recesses and/or the coverage rate of the gaps tends to be. Furthermore, the more the amount of slurry applied, the thicker the MPL obtained by drying the slurry becomes. Therefore, it is preferable to select the optimal amount of slurry to be applied, taking these factors into consideration.
一般に、塗膜の乾燥速度が速くなるほど、ヒビの数密度は、高くなる傾向がある。また、塗膜の乾燥速度が速くなるほど、基材表面により多くの撥水性樹脂が集まるために、凹部の面積率及び/又は隙間の被覆率は小さくなる傾向がある。乾燥速度(単位面積・単位時間当たりの溶媒の蒸発量)は、具体的には、2.0g/m2・s~200g/m2・sが好ましい。 In general, the faster the drying speed of the coating film, the higher the number density of cracks tends to be. Also, the faster the drying speed of the coating film, the more water-repellent resin gathers on the substrate surface, so the area ratio of recesses and/or the coverage rate of gaps tends to be smaller. Specifically, the drying speed (amount of solvent evaporated per unit area/unit time) is preferably 2.0 g/m 2 ·s to 200 g/m 2 ·s.
[3.4. 第4工程]
次に、前記基材を焼成する(第4工程)。これにより、本発明に係るガス拡散層が得られる。
焼成は、塗膜に含まれる撥水性樹脂を溶融させ、撥水性樹脂を介して基材とMPLを接合するために行われる。焼成温度は、撥水性樹脂の種類に応じて最適な温度を選択するのが好ましい。例えば、撥水性樹脂がPTFEである場合、焼成温度は、250℃~290℃が好ましい。
[3.4. 4th step]
Next, the substrate is fired (fourth step), thereby obtaining the gas diffusion layer according to the present invention.
The baking is performed to melt the water-repellent resin contained in the coating film and bond the substrate and MPL via the water-repellent resin. The baking temperature is selected according to the type of water-repellent resin. For example, when the water-repellent resin is PTFE, the baking temperature is preferably 250°C to 290°C.
[4. 作用]
多孔質の基材表面にマイクロポーラス層を形成する場合において、製造条件を最適化すると、ヒビの数密度及び凹部の面積率が所定の範囲にあるガス拡散層が得られる。
次に、このようなガス拡散層を用いて固体高分子形燃料電池を作製する場合において、製造条件を最適化すると、カソード側触媒層とマイクロポーラス層との界面に適度な空隙を形成することができる。
マイクロポーラス層のヒビ及びカソード側触媒層/マイクロポーラス層界面の隙間は、いずれも、カソード側の排水性能に影響を与える。そのため、これらが最適となるように製造条件を最適化すると、高い冷間電圧を示す固体高分子形燃料電池が得られる。
[4. Action]
When a microporous layer is formed on the surface of a porous substrate, optimizing the manufacturing conditions allows a gas diffusion layer to be obtained in which the number density of cracks and the area ratio of recesses are within a predetermined range.
Next, in the case of producing a polymer electrolyte fuel cell using such a gas diffusion layer, by optimizing the production conditions, it is possible to form appropriate voids at the interface between the cathode side catalyst layer and the microporous layer.
Both the cracks in the microporous layer and the gaps at the cathode catalyst layer/microporous layer interface affect the drainage performance on the cathode side. Therefore, optimizing the manufacturing conditions to optimize these factors leads to a polymer electrolyte fuel cell that exhibits a high cold voltage.
(実施例1~2、比較例1~5)
[1. 試料の作製]
[1.1. ガス拡散層の作製]
炭素繊維不織布にフェノール樹脂を含浸させた後、圧縮空気で余分なフェノール樹脂を吹き飛ばした。不織布を所定の速度(1g/m2・s~500g/m2・s)で乾燥させた後、還元雰囲気下で焼成し、不織布に含まれるフェノール樹脂を炭化させた。
次に、カーボン粒子と、PTFE粒子と、ポリエチレンオキサイド(増粘剤)、及び分散剤を水に加え、所定の粘度(9×102mPa・s~5×107mPa・s)のスラリーを調製した。不織布にスラリーを塗布し、所定の温度で乾燥(100℃)及び焼成(290℃)を行い、マイクロポーラス層(MPL)を備えたガス拡散層(GDL)を得た。
(Examples 1 to 2, Comparative Examples 1 to 5)
1. Preparation of Samples
[1.1. Preparation of gas diffusion layer]
After impregnating the carbon fiber nonwoven fabric with phenolic resin, the excess phenolic resin was blown off with compressed air. The nonwoven fabric was dried at a specified speed (1 g/ m2 ·s to 500 g/ m2 ·s) and then fired in a reducing atmosphere to carbonize the phenolic resin contained in the nonwoven fabric.
Next, carbon particles, PTFE particles, polyethylene oxide (thickener), and a dispersant were added to water to prepare a slurry with a predetermined viscosity (9× 102 mPa·s to 5× 107 mPa·s). The slurry was applied to a nonwoven fabric, and dried (100°C) and baked (290°C) at a predetermined temperature to obtain a gas diffusion layer (GDL) equipped with a microporous layer (MPL).
[1.2. 燃料電池の作製]
MEAの両面にガス拡散層及びセパレータを配置し、燃料電池を得た。カソード側ガス拡散層及びアノード側ガス拡散層には、それぞれ、[1.1.]で作製したものを用いた。アノード側セパレータ及びカソード側セパレータには、それぞれ、複数の直線状のガス流路がリブを介して平行に並んでいる構造を備えているものを用いた。リブの幅は、1.0mmとし、リブのピッチは、1.0mmとした。カソード側のガス流路とアノード側のガス流路は、流れる方向が対向するように配置した。
[1.2. Preparation of fuel cell]
A gas diffusion layer and a separator were arranged on both sides of the MEA to obtain a fuel cell. The cathode side gas diffusion layer and the anode side gas diffusion layer were prepared as described in [1.1.]. The anode side separator and the cathode side separator were each provided with a structure in which a plurality of linear gas flow paths were arranged in parallel with ribs. The width of the rib was 1.0 mm, and the rib pitch was 1.0 mm. The cathode side gas flow path and the anode side gas flow path were arranged so that the flow directions were opposite to each other.
[2. 試験方法]
[2.1. 凹部の面積率]
レーザー顕微鏡で得た粗さ曲面から、JIS B0671-2002に準拠して、MPLの表面のモチーフ平均長さを測定した。さらに、得られたモチーフ平均長さが100μm以上の凹部について、凹部の面積率を算出した。
2. Test Method
[2.1. Area ratio of recesses]
The average motif length of the MPL surface was measured based on the roughness curve obtained by a laser microscope in accordance with JIS B0671-2002. Furthermore, the area ratio of the recesses having an average motif length of 100 μm or more was calculated.
[2.2. X線CT]
[2.2.1. 測定方法]
図1に、X線CT測定用治具の模式図を示す。図1において、X線CT測定用治具10は、ステンレス鋼製の下部棒12と、ステンレス鋼製の上部棒14とを備えている。
下部棒12と上部棒14との間に試料20を挿入した。試料20は、下から順に、
(a)流路構造を模擬した治具22、
(b)基材24aの表面にMPL24bが形成されたガス拡散層(GDL)24、
(c)触媒コーティング層(CCM)26、及び、
(d)厚さ500μmのポリテトラフルオロエチレン(PTFE)シート28
が積層されたものからなる。
[2.2. X-ray CT]
[2.2.1. Measurement method]
FIG. 1 is a schematic diagram of an X-ray CT measurement jig. In FIG. 1, the X-ray
The
(a) a
(b) a gas diffusion layer (GDL) 24 having an
(c) a catalytic coating layer (CCM) 26; and
(d) Polytetrafluoroethylene (PTFE)
The above-mentioned components are stacked one on top of the other.
治具22は、円板22aの上面に、リブを模擬した3本の棒22bを平行に並べたものからなる。治具22の上には、MPL24bが上になるようにGDL24を載置した。CCM26は、MEAを模擬したものであり、触媒粒子(Pt粒子)を含まない以外は、MEAと同一の構造を備えているものからなる。
下部棒12と上部棒14の間に試料20をセットした後、ロードセルを用いて試料20を加圧した。圧力は1.1MPaとした。この状態で、X線CT装置を用いてMPL/CCM界面のX線CT画像を撮影した。さらに、X線CT画像から面内断面像を抽出した。
The
After the
[2.2.2. 隙間の被覆率及びヒビの数密度の測定]
図2(A)に、ガス拡散層(GDL)と触媒コーティング膜(CCM)の積層体の縦断面のX線CT画像の一例を示す。図2(B)に、X線CT画像から抽出された、マイクロポーラス層(MPL)/触媒層(CL)界面の面内断面画像(隙間を含むもの)を示す。図2(C)に、X線CT画像から抽出された、マイクロポーラス層(MPL)/触媒層(CL)界面の面内断面画像(ヒビを含むもの)を示す。図2より、界面の面内断面画像から、MPL/CL界面の隙間及びヒビを容易に確認できることが分かった。
[2.2.2. Measurement of gap coverage and crack number density]
FIG. 2(A) shows an example of an X-ray CT image of a longitudinal section of a laminate of a gas diffusion layer (GDL) and a catalyst coated membrane (CCM). FIG. 2(B) shows an in-plane cross-sectional image (including gaps) of the microporous layer (MPL) / catalyst layer (CL) interface extracted from the X-ray CT image. FIG. 2(C) shows an in-plane cross-sectional image (including cracks) of the microporous layer (MPL) / catalyst layer (CL) interface extracted from the X-ray CT image. From FIG. 2, it was found that the gaps and cracks at the MPL / CL interface can be easily confirmed from the in-plane cross-sectional image of the interface.
図3(A)に、X線CT画像から抽出された、マイクロポーラス層(MPL)/触媒層(CL)界面の面内断面画像の一例を示す。図3(B)に、面内断面画像に含まれる隙間の模式図を示す。図3(C)に、面内断面画像に含まれるヒビの模式図を示す。
図3(A)の面内断面画像を二値化することにより、図3(B)に示す二値化像を得た。得られた二値化像を用いて、隙間の被覆率を求めた。
また、図3(A)の面内断面画像から手動でヒビを抽出し、図3(C)に示す画像を得た。画像内にあるヒビの個数を画像の面積で除すことで、ヒビの数密度を算出した。
Fig. 3(A) shows an example of an in-plane cross-sectional image of the microporous layer (MPL)/catalyst layer (CL) interface extracted from an X-ray CT image. Fig. 3(B) shows a schematic diagram of a gap included in the in-plane cross-sectional image. Fig. 3(C) shows a schematic diagram of a crack included in the in-plane cross-sectional image.
The in-plane cross-sectional image of Fig. 3(A) was binarized to obtain the binarized image shown in Fig. 3(B). The obtained binarized image was used to determine the coverage of the gap.
In addition, cracks were manually extracted from the in-plane cross-sectional image of Fig. 3(A) to obtain the image shown in Fig. 3(C). The number density of cracks was calculated by dividing the number of cracks in the image by the area of the image.
[2.3. 冷間電圧]
得られた燃料電池を用いて、冷間電圧を測定した。冷間電圧の測定条件は、30℃からの定電加速とした。
2.3. Cold voltage
The cold voltage of the resulting fuel cell was measured under conditions of constant voltage acceleration from 30°C.
[3. 結果]
表1に、結果を示す。図4に、ヒビの数密度と冷間電圧との関係を示す。図5に、隙間の被覆率と冷間電圧との関係を示す。さらに、図6に、隙間の被覆率とヒビの数密度との関係を示す。表1及び図4~図6より、以下のことが分かる。
3. Results
The results are shown in Table 1. Figure 4 shows the relationship between the crack density and cold voltage. Figure 5 shows the relationship between the gap coverage and cold voltage. Furthermore, Figure 6 shows the relationship between the gap coverage and the crack density. The following can be seen from Table 1 and Figures 4 to 6.
(1)ヒビの数密度と冷間電圧との間に相間が認められた(図4)。ヒビの数密度が2個/mm2未満になると、冷間電圧が低下する場合があった。これは、排水性が低下したためと考えられる。一方、ヒビの数密度が11個/mm2を超えると、冷間電圧が低下する場合があった。これは、一部のMPLが破れたためと考えられる。
(2)隙間の被覆率と冷間電圧との間に相間が認められた(図5)。隙間の被覆率が11%未満になると、冷間電圧が低下する場合があった。これは、触媒層でフラッディングが生じたためと考えられる。一方、隙間の被覆率が15%を超えると、冷間電圧が低下する場合があった。これは、MPLでフラッディングが生じたためと考えられる。
(1) A correlation was observed between the crack density and the cold voltage (Figure 4). When the crack density was less than 2 cracks/ mm2 , the cold voltage sometimes decreased. This is thought to be due to a decrease in drainage. On the other hand, when the crack density exceeded 11 cracks/ mm2 , the cold voltage sometimes decreased. This is thought to be due to some of the MPL breaking.
(2) A correlation was observed between the gap coverage and the cold voltage (Figure 5). When the gap coverage was less than 11%, the cold voltage sometimes decreased. This is believed to be due to flooding in the catalyst layer. On the other hand, when the gap coverage was more than 15%, the cold voltage sometimes decreased. This is believed to be due to flooding in the MPL.
(3)実施例1及び実施例2は、いずれも冷間電圧0.65V以上を達成できた。図6より、冷間電圧0.65V以上を達成するためには、ヒビの数密度を2個/mm2以上11個/mm2以下とし、かつ、隙間の被覆率を11%以上15%以下にする必要があることが分かった。
(4)GDLを圧縮する前及び圧縮した後において、MPL表面のヒビの数密度を比較したところ、圧縮前後でヒビの数密度に変化がないことが分かった。すなわち、ヒビの数密度は、ほぼGDLの製造条件で決まることが分かった。
(3) Both Example 1 and Example 2 achieved a cold voltage of 0.65 V or more. From Fig. 6, it was found that in order to achieve a cold voltage of 0.65 V or more, the number density of cracks needs to be 2/mm2 or more and 11/ mm2 or less, and the coverage rate of gaps needs to be 11% or more and 15% or less.
(4) When the number density of cracks on the MPL surface was compared before and after compressing the GDL, it was found that there was no change in the number density of cracks before and after compression. In other words, it was found that the number density of cracks is almost determined by the manufacturing conditions of the GDL.
以上、本発明の実施の形態について詳細に説明したが、本発明は上記実施の形態に何ら限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の改変が可能である。 The above describes in detail the embodiments of the present invention, but the present invention is not limited to the above embodiments, and various modifications are possible without departing from the spirit of the present invention.
本発明に係るガス拡散層は、固体高分子形燃料電池、高分子電解質膜形水電解装置などに用いることができる。 The gas diffusion layer according to the present invention can be used in solid polymer fuel cells, polymer electrolyte membrane water electrolysis devices, etc.
Claims (10)
前記基材の表面に形成されたマイクロポーラス層と
を備え、
前記マイクロポーラス層は、
ヒビの数密度が2個/mm2以上11個/mm2以下であり、
凹部の面積率が11%以上15%以下である
ガス拡散層。
ここで、
「ヒビ」とは、始点から終点までの長さ(直線距離)が80μm以上であり、前記マイクロポーラス層の表面に現れる幅の最大値が20μm以下であり、かつ、前記マイクロポーラス層を貫通している線状の欠陥をいい、
「凹部」とは、JIS B0671-2002に準拠して測定されるモチーフ平均長さが100μm以上である領域をいい、
「凹部の面積率」とは、前記マイクロポーラス層の表面の面積に対する凹部の面積の割合をいう。 A porous substrate made of a conductive material;
A microporous layer formed on the surface of the substrate,
The microporous layer is
The number density of cracks is 2/ mm2 or more and 11/mm2 or less,
A gas diffusion layer having an area ratio of recesses of 11% or more and 15% or less.
Where:
"Crack" refers to a linear defect having a length (straight-line distance) from the start point to the end point of 80 μm or more, a maximum width appearing on the surface of the microporous layer of 20 μm or less, and penetrating the microporous layer;
"Recess" refers to a region in which the motif average length measured in accordance with JIS B0671-2002 is 100 μm or more;
The "area ratio of the recesses" refers to the ratio of the area of the recesses to the surface area of the microporous layer.
(1)前記固体高分子形燃料電池は、
固体高分子電解質膜からなる電解質膜の両面に、それぞれ、カソード側触媒層及びアノード側触媒層が接合された膜電極接合体と、
前記カソード側触媒層の外側に配置されたカソード側ガス拡散層と、
前記アノード側触媒層の外側に配置されたアノード側ガス拡散層と、
前記カソード側ガス拡散層の外側に配置されたカソード側セパレータと、
前記アノード側ガス拡散層の外側に配置されたアノード側セパレータと
を備えている。
(2)前記カソード側ガス拡散層は、請求項1から3までのいずれか1項に記載のガス拡散層からなる。 A polymer electrolyte fuel cell having the following configuration.
(1) The solid polymer electrolyte fuel cell is
a membrane electrode assembly in which a cathode catalyst layer and an anode catalyst layer are bonded to both sides of an electrolyte membrane made of a solid polymer electrolyte membrane;
a cathode-side gas diffusion layer disposed on the outer side of the cathode-side catalyst layer;
an anode-side gas diffusion layer disposed on the outer side of the anode-side catalyst layer;
a cathode-side separator disposed on the outer side of the cathode-side gas diffusion layer;
and an anode-side separator disposed on the outer side of the anode-side gas diffusion layer.
(2) The cathode side gas diffusion layer is formed of the gas diffusion layer according to any one of claims 1 to 3.
ここで、
「隙間」とは、前記カソード側触媒層と前記カソード側ガス拡散層のマイクロポーラス層との界面に存在する面状欠陥をいい、
「隙間の被覆率」とは、前記マイクロポーラス層の表面の面積に占める前記隙間の面積の割合をいう。 6. The polymer electrolyte fuel cell according to claim 5, wherein the gap coverage is 11% or more and 15% or less.
Where:
"Gap" refers to a planar defect that exists at the interface between the cathode-side catalyst layer and the microporous layer of the cathode-side gas diffusion layer,
The "coverage rate of the gaps" refers to the ratio of the area of the gaps to the surface area of the microporous layer.
前記リブの幅が0.1mm以上2.0mm以下であり、
前記リブのピッチが0.3mm以上2.0mm以下である
請求項5又は6に記載の固体高分子形燃料電池。 the cathode-side separator has a structure in which a plurality of linear gas flow paths are arranged in parallel with ribs interposed therebetween,
The width of the rib is 0.1 mm or more and 2.0 mm or less,
7. The polymer electrolyte fuel cell according to claim 5, wherein the pitch of the ribs is 0.3 mm or more and 2.0 mm or less.
ここで、「冷間電圧」とは、セル温度が30℃である状態から始動させ、10秒経過した時の、電流密度が1A/cm2である時のセル電圧をいう。 9. The polymer electrolyte fuel cell according to claim 5, wherein the cold voltage is 0.65 V or more.
Here, the "cold voltage" refers to the cell voltage when the current density is 1 A/cm 2 after 10 seconds from starting with the cell temperature at 30°C.
導電性粒子と、撥水性樹脂と、分散剤と、増粘剤と、水とを混合し、スラリーを調製する第2工程と、
前記基材の表面に前記スラリーを塗布し、乾燥させる第3工程と、
前記基材を焼成し、請求項1から4までのいずれか1項に記載のガス拡散層を得る第4工程と
を備えたガス拡散層の製造方法。 A first step of preparing a porous substrate made of a conductive material;
a second step of mixing the conductive particles, the water-repellent resin, the dispersant, the thickener, and water to prepare a slurry;
A third step of applying the slurry to a surface of the substrate and drying the slurry;
A method for producing a gas diffusion layer comprising the steps of: firing the substrate to obtain the gas diffusion layer according to claim 1 ;
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