JP2005216511A - Method of manufacturing gas diffusion member for fuel cell - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method of manufacturing gas diffusion member for fuel cell, which improves gas permeability of a gas diffusion member. <P>SOLUTION: The method includes a sheet-forming step for forming a sheet which holds a pore-forming agent inside a porous sheet body having a conductor with corrosion resistance as a substrate; and a pore-making step for heating the sheet after undergoing the sheet-forming step, and for transpiring the pore-forming agent with which the sheet is impregnated, and which has a fluidity. An agent containing a polymeric material such as polyvinyl alcohol as a main ingredient can be used as the pore-making agent with a fluidity. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

本発明は燃料電池用ガス拡散部材の製造方法に関する。   The present invention relates to a method for manufacturing a fuel cell gas diffusion member.

従来、電極と電解質膜とを接合した接合体の製造方法として、亜鉛,アルミニウム,クロム等の金属あるいはこれらの金属塩の固体状の粉末と、触媒を外表面に担持したカーボンとを混合してシート状のガス拡散電極を形成し、その後、そのシート状のガス拡散電極とシート状の高分子電解質膜とをホットプレスにより互いに接合して一体化し、その後、ガス拡散電極を強酸性水溶液(希硫酸)に浸漬して煮沸し、ガス拡散電極内に含まれている金属あるいは金属塩を溶解させて除去し、これにより内部に細孔を有するガス拡散電極と電解質膜との接合体を製造する方法が提案されている(特許文献1)。この場合、金属あるいはこれらの金属塩の固体状の粉末が造孔剤として機能することができる。   Conventionally, as a method of manufacturing a joined body in which an electrode and an electrolyte membrane are joined, a solid powder of a metal such as zinc, aluminum, or chromium or a metal salt thereof and carbon carrying a catalyst on an outer surface are mixed. A sheet-like gas diffusion electrode is formed, and then the sheet-like gas diffusion electrode and the sheet-like polymer electrolyte membrane are joined and integrated with each other by hot pressing. Boiled in (sulfuric acid) to dissolve and remove the metal or metal salt contained in the gas diffusion electrode, thereby producing a joined body of the gas diffusion electrode and the electrolyte membrane having pores inside. A method has been proposed (Patent Document 1). In this case, a solid powder of a metal or a metal salt thereof can function as a pore forming agent.

また、電極と電解質膜とを接合した接合体の製造方法として、鉄により針状をなす固体状の造孔剤を形成し、触媒を外表面に担持したカーボンと当該造孔剤とを混合してペースト状のインクとし、インクを塗布してシート状のガス拡散電極を形成し、その後、シート面に対して垂直な方向の磁界を作用させた状態で乾燥させ、その後、そのガス拡散電極とシート状の高分子電解質膜とをホットプレスにより互いに接合して一体化し、その後、ガス拡散電極を強酸性水溶液(希硫酸)に浸漬して煮沸し、ガス拡散電極内に含まれている金属あるいは金属塩を溶解させて除去し、これにより内部に細孔を有するガス拡散電極と電解質膜との接合体を製造する方法が提案されている(特許文献2)。
特開平10−189005号公報 特開平10−189012号公報
In addition, as a method of manufacturing a joined body in which an electrode and an electrolyte membrane are joined, a solid pore-forming agent that is needle-shaped with iron is formed, and carbon carrying a catalyst on the outer surface is mixed with the pore-forming agent. A paste-like ink, and the ink is applied to form a sheet-like gas diffusion electrode, and then dried in a state in which a magnetic field perpendicular to the sheet surface is applied, and then the gas diffusion electrode and The sheet-like polymer electrolyte membrane is joined and integrated with each other by hot pressing, and then the gas diffusion electrode is immersed in a strongly acidic aqueous solution (dilute sulfuric acid) and boiled, and the metal contained in the gas diffusion electrode or A method has been proposed in which a metal salt is dissolved and removed, thereby producing a joined body of a gas diffusion electrode having pores and an electrolyte membrane (Patent Document 2).
Japanese Patent Laid-Open No. 10-189005 JP-A-10-189012

上記した燃料電池用ガス拡散部材によれば、ガス拡散部材におけるガス透気性の更なる向上が要請されている。   According to the gas diffusion member for a fuel cell described above, further improvement in gas permeability in the gas diffusion member is required.

本発明は上記した実情に鑑みてなされたものであり、ガス拡散部材におけるガス透気性を向上させるのに有利な燃料電池用ガス拡散部材の製造方法を提供することを課題とする。   This invention is made | formed in view of the above-mentioned situation, and makes it a subject to provide the manufacturing method of the gas diffusion member for fuel cells advantageous for improving the gas permeability in a gas diffusion member.

本発明者は燃料電池用ガス拡散部材について鋭意開発を進めている。そして流動性をもつ造孔剤を用いれば、ガス拡散部材におけるガス透気性を高めるのに有利であることを知見し、試験で確認し、本発明を完成させた。特に、ポリビニルアルコール等に代表される高分子材料を主要成分とする流動性をもつ造孔剤を用いれば、ガス拡散部材におけるガス透気性を高めるのに有利であることを知見し、試験で確認し、本発明を完成させた。   The inventor has been eagerly developing a gas diffusion member for a fuel cell. And it was discovered that the use of a pore-forming agent having fluidity is advantageous for enhancing gas gas permeability in the gas diffusion member, and it was confirmed by a test to complete the present invention. In particular, we found that using a pore-forming agent having fluidity, which is mainly composed of a polymer material typified by polyvinyl alcohol, is advantageous in improving gas gas permeability in a gas diffusion member, and confirmed by tests. The present invention has been completed.

ガス拡散部材におけるガス透気性を高め得る理由としては、必ずしも明確ではないものの、造孔剤が固体状の粒子である場合と異なり、造孔剤が所要の粘性および流動性をもつ流動性をもつものであり、ガス拡散部材の内部において流動性をもつ造孔剤が連続的に長く延設されていると共に絡み合い易く、細孔が孤立孔となる割合が低下すると共に、ガス拡散部材の内部において連続細孔となり易いため、と推察される。   The reason why the gas permeability in the gas diffusion member can be improved is not necessarily clear, but the pore-forming agent has fluidity with the required viscosity and fluidity, unlike the case where the pore-forming agent is solid particles. In the gas diffusion member, the pore former having fluidity is continuously extended for a long time and easily entangled, and the ratio of pores becoming isolated pores is reduced. This is presumed to be because continuous pores are easily formed.

また、高分子材料を主要成分とする流動性をもつ造孔剤、高分子材料を構成する高分子鎖が連続的に長く延設されていると共に絡み合い易く、連続細孔となり易いため、と推察される。   In addition, it is presumed that the pore-forming agent has fluidity mainly composed of a polymer material, and the polymer chain constituting the polymer material is continuously extended and easily entangled and easily becomes continuous pores. Is done.

即ち、第1発明に係る燃料電池用ガス拡散部材の製造方法は、耐食性をもつ導電体を基材とするシート本体の内部に、流動性をもつ造孔剤を保持したシートを形成するシート形成工程と、シート形成工程を経たシートを加熱してシートの内部に保持されている造孔剤をシートの外方に蒸散させて細孔を形成する造孔工程とを含むことを特徴とするものである。   That is, the method for manufacturing a gas diffusion member for a fuel cell according to the first aspect of the present invention provides a sheet forming method in which a sheet holding a fluid pore forming agent is formed inside a sheet body having a corrosion-resistant conductor as a base material. And a pore-forming step of forming pores by heating the sheet that has undergone the sheet-forming step and evaporating the pore-forming agent held inside the sheet to the outside of the sheet It is.

第2発明に係る燃料電池用ガス拡散部材の製造方法は、耐食性をもつ導電体を基材とするシート本体の内部に、高分子材料を主要成分とする流動性をもつ造孔剤を保持したシートを形成するシート形成工程と、シート形成工程を経たシートを加熱してシートの内部の高分子材料をシートの外方に蒸散させて細孔を形成する造孔工程とを含むことを特徴とするものである。   According to a second aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing a gas diffusion member for a fuel cell, in which a fluid pore former having a polymer material as a main component is held in a sheet body having a corrosion-resistant conductor as a base material. A sheet forming step for forming the sheet, and a hole forming step for heating the sheet that has undergone the sheet forming step to evaporate the polymer material inside the sheet to the outside of the sheet to form pores. To do.

第3発明に係る燃料電池用ガス拡散部材の製造方法は、耐食性をもつ導電体を基材とするシート本体の内部に、流動性をもつ造孔剤を保持したシートを形成するシート形成工程と、シート形成工程を経たシートの表出面に、導電材料を含む導電層を配置する配置工程と、配置工程を経たシートを加熱し、シートの内部に保持されている造孔剤をシートの外方に蒸散させて細孔を形成する造孔工程とを含むことを特徴とするものである。   According to a third aspect of the present invention, there is provided a method for producing a gas diffusion member for a fuel cell, comprising: a sheet forming step of forming a sheet holding a fluid pore-forming agent inside a sheet body having a corrosion-resistant conductor as a base; An arrangement step of arranging a conductive layer containing a conductive material on the surface of the sheet that has undergone the sheet formation step, and heating the sheet that has undergone the arrangement step, and removing the pore-forming agent held inside the sheet from the outside of the sheet And a pore-forming step for forming pores by evaporation.

本発明方法によれば、シート形成工程においては、流動性をもつ造孔剤を多孔質のシート本体に保持することにより、シートを形成する。シート本体は、耐食性をもつ導電体を基材とする。耐食性をもつ導電体としては、カーボン材料、繊維の形態が好ましく、故にカーボン繊維、カーボン粒子が代表的なものである。   According to the method of the present invention, in the sheet forming step, a sheet is formed by holding a fluid pore forming agent in the porous sheet body. The sheet body is made of a conductive material having corrosion resistance. The conductor having corrosion resistance is preferably in the form of a carbon material or fiber, and therefore, carbon fiber and carbon particles are typical.

本発明方法で用いる流動性をもつ造孔剤としては、加熱により熱分解して蒸散するものが好ましい。従って、流動性をもつ造孔剤としては、好ましくは、高分子材料を主要成分とする流動性をもつ造孔剤を採用することができる。この場合、流動性をもつ造孔剤は、高分子材料を溶媒または分散媒に溶解または分散させた流動性をもつものを採用することができる。高分子材料としては、水溶性の高分子材料であることが好ましい。   As the pore-forming agent having fluidity used in the method of the present invention, those which are thermally decomposed by heating and are evaporated are preferable. Therefore, as the pore-forming agent having fluidity, preferably, the pore-forming agent having fluidity whose main component is a polymer material can be employed. In this case, as the pore-forming agent having fluidity, one having fluidity obtained by dissolving or dispersing a polymer material in a solvent or a dispersion medium can be adopted. The polymer material is preferably a water-soluble polymer material.

上記した高分子材料としては、ポリビニルアルコール(PVA)、ポリエチレンオキサイド、ポリビニルピロリドン、ポリエチレングリコール、ポリアクリルアミド、ポリビニルメチルエーテル、セルロース、デンプン、ゼラチン、ワックスから選ばれる少なくとも1種とすることができる。セルロースとしては、メチルセルロース、カルボキシメチルセルロース、ヒドロキシエチルセルロース等の水溶性繊維素誘導体を例示することができる。   The polymer material described above can be at least one selected from polyvinyl alcohol (PVA), polyethylene oxide, polyvinyl pyrrolidone, polyethylene glycol, polyacrylamide, polyvinyl methyl ether, cellulose, starch, gelatin, and wax. Examples of cellulose include water-soluble fiber derivatives such as methyl cellulose, carboxymethyl cellulose, and hydroxyethyl cellulose.

上記した溶媒または分散媒としては、水系溶媒または有機溶媒を例示できる。例えば、水、メタノール、エタノール、プロパノール、ベンゼン、アセトン、ブタノン、デカリン、トルエン、ブチロラクトン、ホルムアミド、n−ヘキサン、エチレングリコール、ジメチルスルホキシド、ペンタンジオールから選ばれる少なくとも1種とすることができる。一般的には、ポリビニルアルコールは有機溶剤に溶けにくいが、水に可溶である。   As the above-mentioned solvent or dispersion medium, an aqueous solvent or an organic solvent can be exemplified. For example, it can be at least one selected from water, methanol, ethanol, propanol, benzene, acetone, butanone, decalin, toluene, butyrolactone, formamide, n-hexane, ethylene glycol, dimethyl sulfoxide, and pentanediol. In general, polyvinyl alcohol is hardly soluble in an organic solvent, but is soluble in water.

一般的には、高分子材料の重合度(分子量)は、溶媒または分散媒に対する溶解性、分散性、粘度、接着性等に影響を与える。高分子材料の重合度(分子量)及び/または配合量が増加すれば、高分子材料を主要成分とする流動性をもつ造孔剤の粘度は高くなり、シートの表出面に付着する割合が増加するものの、流動性をもつ造孔剤がシートの内部へ含浸する含浸性が低下する傾向が認められることもある。   In general, the degree of polymerization (molecular weight) of a polymer material affects the solubility, dispersibility, viscosity, adhesiveness, etc. in a solvent or dispersion medium. If the degree of polymerization (molecular weight) and / or blending amount of the polymer material increases, the viscosity of the fluid pore-forming agent containing the polymer material as the main component increases, and the rate of adhesion to the exposed surface of the sheet increases. However, there may be a tendency that the impregnation property that the pore forming agent having fluidity impregnates the inside of the sheet is lowered.

これに対して、高分子材料の重合度(分子量)及び/または配合量が過少であれば、高分子材料を主要成分とする流動性をもつ造孔剤の粘度は低めとなり、高分子材料を主要成分とする流動性をもつ造孔剤がシートの内部へ含浸するものの、重力等の影響でシートから過剰に流出してしまうこともある。高分子材料の重合度(分子量)が適切であれば、シートの表出面に過剰に付着すること、重力等の影響でシートの内部から過剰に流出してしまうことを抑えることができる。更に、高分子材料を主要成分とする流動性をもつ造孔剤の固形分の絡み合い、高分子鎖の絡み合いが良好となり、二次元的または三次元的な連続細孔を形成するのに有利である。このような事情を考慮して、高分子材料の重合度(分子量)及び/または配合量を調整することが好ましい。   On the other hand, if the degree of polymerization (molecular weight) and / or blending amount of the polymer material is too small, the viscosity of the pore-forming agent having flowability mainly composed of the polymer material becomes low, and the polymer material Although the pore forming agent having fluidity as a main component impregnates the inside of the sheet, it may flow out of the sheet excessively due to the influence of gravity or the like. If the degree of polymerization (molecular weight) of the polymer material is appropriate, it is possible to suppress excessive adhesion to the exposed surface of the sheet and excessive outflow from the inside of the sheet due to the influence of gravity or the like. Furthermore, the entanglement of the solid content of the fluid pore former mainly composed of a polymer material and the entanglement of the polymer chain are good, which is advantageous for forming two-dimensional or three-dimensional continuous pores. is there. In consideration of such circumstances, it is preferable to adjust the degree of polymerization (molecular weight) and / or the amount of the polymer material.

ポリビニルアルコール等の高分子材料については、重合度(分子量)が増加すれば、溶解性が低下し、シートに対する含浸性が低下する傾向が認められる。また、ポリビニルアルコール等の高分子材料の溶解性または分解性を向上させるため、溶媒または分散媒の温度を、常温よりも高めることができる。この場合、造孔剤であるポリビニルアルコール等の高分子材料がシートの内部に保持される量が増加するため、細孔の割合が増加し、ガス透気性を高めるのに有利である。この場合、溶媒または分散媒の温度としては、100℃以上でも良い。高分子材料を溶解または分散させる溶媒または分散媒として水を用いる場合には、場合によっては、常温以上の温水または熱水(70℃以上)を採用することもできる。   For polymer materials such as polyvinyl alcohol, if the degree of polymerization (molecular weight) increases, the solubility decreases, and the tendency of the sheet to impregnate decreases. Moreover, in order to improve the solubility or decomposability | degradability of polymer materials, such as polyvinyl alcohol, the temperature of a solvent or a dispersion medium can be raised from normal temperature. In this case, the amount of the polymer material such as polyvinyl alcohol, which is a pore-forming agent, is increased in the interior of the sheet, so that the proportion of pores is increased, which is advantageous in improving gas gas permeability. In this case, the temperature of the solvent or dispersion medium may be 100 ° C. or higher. When water is used as a solvent or dispersion medium for dissolving or dispersing the polymer material, warm water or hot water (70 ° C. or higher) at room temperature or higher can be used depending on circumstances.

ポリビニルアルコールについては、重合度は200〜6000を例示でき、殊に、300〜4000、400〜2500、450〜1500を例示することができるが、これに限定されるものではない。ポリビニルアルコールについては、けん化度が55〜99モル%のもの、殊に75〜99モル%のものを例示することができる。ポリビニルアルコールとしては、溶解性等の調整のために、親水性モノマーを共重合させた変性ポリビニルアルコールでも良い。   As for polyvinyl alcohol, the degree of polymerization may be 200 to 6000, and particularly 300 to 4000, 400 to 2500, and 450 to 1500, but is not limited thereto. Examples of the polyvinyl alcohol include those having a saponification degree of 55 to 99 mol%, particularly 75 to 99 mol%. The polyvinyl alcohol may be a modified polyvinyl alcohol obtained by copolymerizing a hydrophilic monomer in order to adjust solubility or the like.

また、流動性をもつ造孔剤の粘度としては、高分子材料の種類、溶媒や分散媒の種類、シートの種類等によっても相違するものの、1〜50cP、または、1〜30cP(測定法:共軸円筒による粘度測定法)を例示することができるが、これに限定されるものではない。   Further, the viscosity of the pore-forming agent having fluidity varies depending on the type of polymer material, the type of solvent or dispersion medium, the type of sheet, etc., but 1 to 50 cP or 1 to 30 cP (measurement method: A viscosity measuring method using a coaxial cylinder) can be exemplified, but is not limited thereto.

流動性をもつ造孔剤の濃度としては、流動性をもつ造孔剤を100%としたとき、当該高分子材料の濃度としては、高分子材料の種類、溶媒や分散媒の種類、シートの種類等によっても相違するものの、0.1〜30wt%、0.1〜15wt%、0.2〜10wt%、0.3〜5wt%を例示することができるが、これに限定されるものではない。   As the concentration of the pore former having fluidity, when the pore former having fluidity is 100%, the concentration of the polymer material includes the kind of polymer material, the kind of solvent or dispersion medium, the sheet Although it differs depending on the type and the like, it can be exemplified by 0.1 to 30 wt%, 0.1 to 15 wt%, 0.2 to 10 wt%, and 0.3 to 5 wt%, but is not limited thereto.

本発明方法に係るシート形成工程は、好ましくは、流動性をもつ造孔剤と、耐食性をもつ導電体を基材とする1次シートとを用い、流動性をもつ造孔剤を1次シートの内部に含浸させることにより実施される。この場合、1次シートは多孔質とすることができる。流動性をもつ造孔剤に1次シートを浸漬させたり、流動性をもつ造孔剤を1次シートの表出面に塗布させたり、流動性をもつ造孔剤を1次シートの表出面に吹き付けたりできる。なお、流動性をもつ造孔剤を1次シートの内部に含浸させた後に、1次シートを乾燥させる乾燥操作を行うことができる。これにより1次シートの内部に含浸された造孔剤の固形性が促進される。故に、造孔剤の濃度が低いとき等であっても、1次シートに造孔剤を残留させるのに有利であり、細孔を形成するのに有利である。   The sheet forming step according to the method of the present invention preferably uses a fluid pore former and a primary sheet based on a corrosion-resistant conductor, and uses the fluid pore former as the primary sheet. It is carried out by impregnating the inside of the. In this case, the primary sheet can be porous. The primary sheet is immersed in the fluid pore former, the fluid pore former is applied to the exposed surface of the primary sheet, or the fluid pore former is applied to the primary sheet exposed surface. Can be sprayed. In addition, after impregnating the inside of a primary sheet with the pore forming agent which has fluidity | liquidity, the drying operation which dries a primary sheet can be performed. This promotes the solidity of the pore former impregnated in the primary sheet. Therefore, even when the concentration of the pore-forming agent is low, it is advantageous for allowing the pore-forming agent to remain in the primary sheet and for forming pores.

造孔剤は、前記したように高分子材料を主要成分とすることができる。高分子材料は前述したように水溶性高分子材料であることが好ましい。水溶性高分子材料であれば、溶媒または分散媒が水となり、コストの面、操作の面で有利である。1次シートとしては、カーボンペーパ、カーボンクロス等を例示することができる。カーボンペーパは、耐食性をもつ導電体であるカーボン繊維と液体成分とを含む原料から、抄紙処理により液体成分とカーボン繊維とを分離し、カーボン繊維を集積させたシートを含む意味である。カーボンクロスは織布及び不織布を含む意味である。   As described above, the pore former can contain a polymer material as a main component. As described above, the polymer material is preferably a water-soluble polymer material. In the case of a water-soluble polymer material, the solvent or dispersion medium becomes water, which is advantageous in terms of cost and operation. Examples of the primary sheet include carbon paper and carbon cloth. Carbon paper means a sheet in which a liquid component and a carbon fiber are separated from a raw material containing a carbon fiber, which is a conductor having corrosion resistance, and a liquid component by a papermaking process, and the carbon fibers are accumulated. Carbon cloth is meant to include woven and non-woven fabrics.

また、本発明方法に係るシート形成工程は、流動性をもつ造孔剤と耐食性をもつ導電体(カーボン繊維など)とを混合した原料から直接的にシートを形成しても良い。   In the sheet forming step according to the method of the present invention, the sheet may be formed directly from a raw material obtained by mixing a pore forming agent having fluidity and a conductor (such as carbon fiber) having corrosion resistance.

本発明方法によれば、シート形成工程を経たシートを加熱してシートの内部に保持されている造孔剤をシートの外方に蒸散させて細孔を形成する造孔工程を実施する。シート加熱する加熱温度としては、シートの内部に保持されている造孔剤をシートの外方に蒸散させる温度であれば良く、造孔剤の種類によっても相違するが、例えば、280℃以上、300℃以上とすることができる。後述するように撥水材料の焼結により、シートの内部に保持されている造孔剤をシートの外方に蒸散させて細孔を形成することができる。   According to the method of the present invention, a hole forming step is carried out in which the sheet having undergone the sheet forming step is heated to evaporate the pore forming agent held inside the sheet to the outside of the sheet to form pores. The heating temperature for heating the sheet may be any temperature that evaporates the pore-forming agent held inside the sheet to the outside of the sheet, and differs depending on the type of the pore-forming agent, for example, 280 ° C. or more, It can be 300 degreeC or more. As will be described later, pores can be formed by evaporating the pore former held inside the sheet to the outside of the sheet by sintering the water repellent material.

配置工程は、シート形成工程を経たシートの表出面に、導電材料を含む導電層を配置する工程である。導電材料を含む導電層としては、導電ペーストを用いることができる。導電材料としてはカーボンブラック等のカーボン系を例示することができる。導電ペーストは、導電材料を含む塗布可能なものである。導電ペーストとしては、導電材料の他に撥水材料を含むことが好ましい。撥水材料としては公知のフッ素樹脂を例示することができる。造孔工程により造孔剤が導電層を突き抜けるように蒸散すると、ガス拡散部材の細孔と連通するような細孔が導電層にも形成され、ガス透過性を高めることができる。   An arrangement | positioning process is a process of arrange | positioning the electrically conductive layer containing an electrically conductive material on the exposed surface of the sheet | seat which passed through the sheet | seat formation process. As the conductive layer containing a conductive material, a conductive paste can be used. Examples of the conductive material include carbon materials such as carbon black. The conductive paste can be applied containing a conductive material. The conductive paste preferably contains a water repellent material in addition to the conductive material. Examples of the water repellent material include known fluororesins. When the pore-forming agent evaporates so as to penetrate through the conductive layer in the pore-forming step, pores that communicate with the pores of the gas diffusion member are also formed in the conductive layer, and the gas permeability can be improved.

本発明に係る燃料電池は、各請求項のうちのいずれか一項で形成した燃料電池用ガス拡散部材を有する。このガス拡散部材によれば、ガス透過性が良好であるため、燃料電池の発電出力を向上させるのに有利である。   The fuel cell according to the present invention includes the fuel cell gas diffusion member formed in any one of the claims. According to this gas diffusion member, since gas permeability is good, it is advantageous for improving the power generation output of the fuel cell.

本発明に係る製造方法によれば、ガス拡散部材におけるガス透気性が向上する。殊にガス拡散部材における垂直方向ガス透気性及び面内方向ガス透気性が向上する。   According to the manufacturing method according to the present invention, gas permeability in the gas diffusion member is improved. In particular, the vertical gas permeability and the in-plane gas permeability in the gas diffusion member are improved.

ガス拡散部材におけるガス透気性を高め得る理由としては、必ずしも明確ではないものの、前述したように、造孔剤が固体状の粒子である場合と異なり、所要の粘性及び流動性をもつ流動性をもつため、流動性をもつ造孔剤が連続的に長く延設されていると共に絡み合うため、連続細孔を形成し易いため、と推察される。また、高分子材料を主要成分とする流動性をもつ造孔剤、高分子材料を構成する高分子鎖が連続的に長く延設されていると共に絡み合うため、細孔が孤立孔となる割合が低下すると共に連続細孔を形成し易いため、と推察される。   The reason why the gas permeability in the gas diffusion member can be improved is not necessarily clear, but as described above, unlike the case where the pore forming agent is solid particles, the fluidity having the required viscosity and fluidity is obtained. Therefore, it is presumed that the pore forming agent having fluidity is continuously extended and entangled, so that it is easy to form continuous pores. In addition, a fluid pore-forming agent mainly composed of a polymer material, and the polymer chains constituting the polymer material are continuously extended and intertwined, so that the ratio of pores to isolated pores is high. This is presumed to be due to a decrease in the formation of continuous pores.

本発明に係る実施形態について、図面を参照しつつ各実施例に基づいて具体的に説明する。   Embodiments according to the present invention will be specifically described based on respective examples with reference to the drawings.

(実施例1)
図1は、ガス拡散部材を製造する過程を示すフローチャートチャートを示す。実施例1によれば、重量で500gの水(温度:80〜90℃)に、重量で10gのポリビニルアルコール(水溶性の高分子材料に相当, Wako製、重合度500)を混入して高分子水溶液(ポリビニルアルコール水溶液,流動性をもつ造孔剤に相当)を作成した。ポリビニルアルコールの配合量10gは、水500gに対して2%に相当する((10g/(500g+10g)×100%≒2wt%)。
(Example 1)
FIG. 1 is a flowchart showing a process for manufacturing a gas diffusion member. According to Example 1, 500 g of water (temperature: 80 to 90 ° C.) was mixed with 10 g of polyvinyl alcohol (corresponding to a water-soluble polymer material, Wako, polymerization degree 500). A molecular aqueous solution (polyvinyl alcohol aqueous solution, corresponding to a fluid pore-forming agent) was prepared. A blending amount of 10 g of polyvinyl alcohol corresponds to 2% with respect to 500 g of water ((10 g / (500 g + 10 g) × 100% ≈2 wt%)).

なお、ポリビニルアルコールの配合量が10gの場合には、ポリビニルアルコール水溶液の粘性はかなり低めであり、水の粘性に近いものであった。  In addition, when the blending amount of polyvinyl alcohol was 10 g, the viscosity of the polyvinyl alcohol aqueous solution was considerably low and was close to the viscosity of water.

この高分子水溶液(温度:常温)にカーボンペーパを大気雰囲気において浸漬させることにより、高分子水溶液をカーボンペーパ((東レ株式会社製、トレカTGP−H−060、200mm×250mm、厚さ180μm)に含浸した(図2参照)。次に、70℃の温度に保った乾燥炉(大気圧)中に、ポリビニルアルコールを含浸したカーボンペーパを入れ、30分間保持してカーボンペーパを乾燥させた。この場合、カーボンペーパの内部にポリビニルアルコール水溶液(高分子材料を主要成分とする流動性をもつ造孔剤に相当)の固形分が残留している。   By immersing carbon paper in this polymer aqueous solution (temperature: normal temperature) in the air atmosphere, the polymer aqueous solution is made into carbon paper (Toray Industries, Inc., TORAYCA TGP-H-060, 200 mm x 250 mm, thickness 180 μm) Then, the carbon paper impregnated with polyvinyl alcohol was placed in a drying furnace (atmospheric pressure) maintained at a temperature of 70 ° C. and held for 30 minutes to dry the carbon paper. In this case, a solid content of an aqueous polyvinyl alcohol solution (corresponding to a fluid pore-forming agent having a polymer material as a main component) remains in the carbon paper.

また、重量で500gのカーボンブラックペースト(御国製、PSMブラック12134,導電材料に相当)に、ディスパージョン原液(商品名:POLYFLON Dlグレード)を重量で106g添加し、更に十分間攪拌して、カーボンペースト(分散液)を導電ペーストとして製造した。このディスパージョン原液は、四フッ化エチレン(以下PTFEという,ダイキン工業株式会社製,撥水材料)の含有濃度が60wt%である。   In addition, 106 g of dispersion stock solution (trade name: POLYFLON Dl grade) is added to 500 g of carbon black paste by weight (made by Gokoku, PSM black 12134, equivalent to conductive material), and the mixture is further stirred for a while. A paste (dispersion) was produced as a conductive paste. This dispersion stock solution has a content concentration of ethylene tetrafluoride (hereinafter referred to as PTFE, manufactured by Daikin Industries, Ltd., water repellent material) of 60 wt%.

上記したようにポリビニルアルコール水溶液を残留させたカーボンペーパの両面にこのカーボンペースト(カーボンインク)を塗布し、カーボンペーパの両面に導電層を配置した(図3(A)参照)。この場合、カーボンペーパの内部にはポリビニルアルコールの固形分が存在しているため、カーボンペーストがカーボンペーパの表出面から内部に含浸することは抑制され、ひいてはガス拡散部材の内部の細孔が閉鎖されてしまうことを防止できると考えられる。   As described above, the carbon paste (carbon ink) was applied to both surfaces of the carbon paper in which the polyvinyl alcohol aqueous solution remained, and conductive layers were disposed on both surfaces of the carbon paper (see FIG. 3A). In this case, since the solid content of polyvinyl alcohol is present inside the carbon paper, the carbon paste is prevented from being impregnated from the exposed surface of the carbon paper, and the pores inside the gas diffusion member are closed. It is thought that it can be prevented.

次に、70℃の温度に保った乾燥炉(大気圧)中に、カーボンペーストを塗布したカーボンペーパを入れて30分間保持し、カーボンペーパを仮乾した。その後、このカーボンペーパを焼結温度380℃で60分間保持して、カーボンペーストのPTFEを焼結した。これによりカーボンペーパの内部に細孔を積極的に形成し、ガス拡散部材を製造した。   Next, carbon paper coated with carbon paste was placed in a drying furnace (atmospheric pressure) maintained at a temperature of 70 ° C. and held for 30 minutes, and the carbon paper was temporarily dried. Thereafter, this carbon paper was held at a sintering temperature of 380 ° C. for 60 minutes to sinter the carbon paste PTFE. As a result, pores were actively formed inside the carbon paper to produce a gas diffusion member.

図4は、上記したように製造したガス拡散部材の内部構造を観察した状態を模式化して示す。図4に示すように、ガス拡散部材(1)は、カーボンペーパからなる基材層(10)、基材層(10)の両面に被覆された導電層(12)とを有する。基材層(10)の内部及び導電層(12)の内部では、燃料または酸化剤のガスが透過する多数の細孔が生成している。殊に、ガス拡散部材の断面及び表面を顕微鏡により観察したところ、基材層(10)における細孔は、基材層(10)の面内方向に良好に延設されており、面内ガス透気性が向上しているとうかがえる。これによりガス拡散部材における面方向のガス透過性の均一化が向上する。   FIG. 4 schematically shows a state where the internal structure of the gas diffusion member manufactured as described above is observed. As shown in FIG. 4, the gas diffusion member (1) has a base material layer (10) made of carbon paper and a conductive layer (12) coated on both surfaces of the base material layer (10). In the base material layer (10) and the conductive layer (12), a large number of pores through which the fuel or oxidant gas passes are generated. In particular, when the cross section and the surface of the gas diffusion member are observed with a microscope, the pores in the base material layer (10) extend well in the in-plane direction of the base material layer (10). It seems that the air permeability is improved. Thereby, the uniformity of the gas permeability in the surface direction in the gas diffusion member is improved.

そして、ガス拡散部材のカーボンインク固形分含有量を重量測定により測定した。カーボンインク固形分含有量αは次のように求めた。PTFEを焼結した後のガス拡散部材の重量をW1とした。ポリビニルアルコールを含浸させる前のカーボンペーパの重量をW2とした。そして、(W1−W2/W1)×100%で求めた。カーボンペーパに含浸されていたポリビニルアルコールは、加熱により全て蒸散したものとしている。   And the carbon ink solid content of the gas diffusion member was measured by weight measurement. The carbon ink solid content α was determined as follows. The weight of the gas diffusion member after sintering PTFE was set to W1. The weight of the carbon paper before impregnating with polyvinyl alcohol was set to W2. And it calculated | required at (W1-W2 / W1) * 100%. The polyvinyl alcohol impregnated in the carbon paper is assumed to be completely evaporated by heating.

また、上記したように製造したガス拡散部材について、垂直方向ガス透過性及び面内方向ガス透過性を測定した。この場合、図5に示すように、試験片S(直径40ミリメートル,厚み0.3〜0.5ミリメートル)をガス流路100に対して垂直方向に沿って配置し、窒素ボンベ102からマスフローコントローラ104を用いて一定流量のガス(窒素ガス)を流し、試験片Sの直前の上流のa点、試験片Sの直後の下流のb点の差圧を差圧計によって測定し、試験片Sの単位面積当たりのガス流量を計算することにより、試験片Sの垂直方向ガス透過性を求めた。試験片Sのガス透過面積は6.15cm2とした。垂直方向ガス透過性は、K1/K2で求めた。K1は(ガス流量/サンプル面積)とした。K2は差圧とした。 The gas diffusion member manufactured as described above was measured for vertical gas permeability and in-plane gas permeability. In this case, as shown in FIG. 5, the test piece S (diameter 40 millimeters, thickness 0.3 to 0.5 millimeters) is disposed along the direction perpendicular to the gas flow path 100, and the nitrogen cylinder 102 is connected to the mass flow controller. 104 is used to flow a gas (nitrogen gas) at a constant flow rate, and the differential pressure at the upstream point a immediately before the test piece S and the downstream point b immediately after the test piece S is measured with a differential pressure gauge. By calculating the gas flow rate per unit area, the vertical gas permeability of the test piece S was obtained. The gas permeation area of the test piece S was 6.15 cm 2 . The vertical gas permeability was determined by K1 / K2. K1 was (gas flow rate / sample area). K2 was a differential pressure.

また、図6に示すように、台200の測定面202上に載せた試験片S(直径40ミリメートル,厚み0.3〜0.5ミリメートル)に容器状の測定治具204を荷重Fにより密着状態に被着させ、その状態で、窒素ボンベ102からマスフローコントローラ104を用いて一定流量のガス(窒素ガス)を測定治具204の室2061に流し、測定治具204の内のc点の圧力と外の点d点の圧力差を差圧計により測定し、試験片Sの単位面積当たりのガス流量を計算することにより、試験片Sの面内方向ガス透過性を求めた。試験片Sのガス透過面積は6.15cm2とした。面内方向ガス透過性は、M1/M2で求めた。M1は(ガス流量×測定治具204の幅)とした。M2は差圧×(測定治具204の周長)とした。測定治具204の周長は、測定治具204の内周径(28mm)と外周径(30mm)との間の中間径(29mm)の周長とした。 Further, as shown in FIG. 6, a container-shaped measuring jig 204 is brought into close contact with a test piece S (diameter 40 mm, thickness 0.3 to 0.5 mm) placed on a measuring surface 202 of a table 200 by a load F. In this state, a constant flow of gas (nitrogen gas) is caused to flow from the nitrogen cylinder 102 to the chamber 2061 of the measurement jig 204 using the mass flow controller 104, and the pressure at point c in the measurement jig 204. The in-plane gas permeability of the test piece S was determined by measuring the pressure difference between the point d and the outside point d with a differential pressure gauge and calculating the gas flow rate per unit area of the test piece S. The gas permeation area of the test piece S was 6.15 cm 2 . The in-plane gas permeability was determined by M1 / M2. M1 was (gas flow rate × width of measurement jig 204). M2 is differential pressure × (peripheral length of the measuring jig 204). The circumference of the measurement jig 204 was a circumference of an intermediate diameter (29 mm) between the inner circumference diameter (28 mm) and the outer circumference diameter (30 mm) of the measurement jig 204.

本実施例によれば、カーボンペーパの内部に存在する流動性をもつ造孔剤としてのポリビニルアルコールは、その後の加熱により熱分解してカーボンペーパの外部に蒸散して細孔が形成される。このためガス拡散部材のガス透過性が向上する。殊に、ガス拡散部材の垂直方向ガス透過性及び面内方向のガス透過性が向上する。ポリビニルアルコールが流動性をもつ造孔剤としてガス拡散部材の内部に存在するため、二次元的、三次元的に存在し易くなり、従って、細孔がピンホール的に形成されるのではなく、細孔が二次元的、三次元的に形成され易く、孤立孔の割合が低下し、連通孔の割合が増加するためと推察される。   According to the present embodiment, polyvinyl alcohol as a pore-forming agent having fluidity existing inside the carbon paper is thermally decomposed by subsequent heating and evaporated to the outside of the carbon paper to form pores. For this reason, the gas permeability of a gas diffusion member improves. In particular, the vertical gas permeability and the in-plane gas permeability of the gas diffusion member are improved. Polyvinyl alcohol is present in the gas diffusion member as a pore-forming agent having fluidity, so it tends to exist two-dimensionally and three-dimensionally. Therefore, the pores are not formed like a pinhole, This is presumably because the pores are easily formed two-dimensionally or three-dimensionally, the ratio of isolated holes decreases, and the ratio of communication holes increases.

また本実施例によれば、上記したようにカーボンペーパの表面にカーボンペーストを塗布する前に、カーボンペーパの内部にポリビニルアルコールが含浸されて存在しているため、導電層を形成するカーボンペーストはカーボンペーパの表出面に塗布されつつも、カーボンペーパの内部に含浸することは抑制されると考えられる。   Also, according to the present embodiment, before applying the carbon paste to the surface of the carbon paper as described above, the carbon paper is impregnated with polyvinyl alcohol, so that the carbon paste forming the conductive layer is It is considered that impregnation into the carbon paper while being applied to the exposed surface of the carbon paper is suppressed.

更に、本実施例によれば、高分子材料であるポリビニルアルコールが、ガス拡散部材の内部に細孔を形成する造孔剤として機能するため、蒸散性が良好であり、また、従来技術とは異なり、金属または金属塩を造孔剤として用いないため、金属イオンの残留により電解質膜の性能を低下させるといった不具合を防止することができる。   Furthermore, according to this example, polyvinyl alcohol, which is a polymer material, functions as a pore-forming agent that forms pores in the gas diffusion member, and therefore has good transpiration, and In contrast, since a metal or a metal salt is not used as a pore-forming agent, it is possible to prevent a problem that the performance of the electrolyte membrane is deteriorated due to residual metal ions.

更にまた、本実施例によれば、金属イオンを強酸性水溶液に溶解させるものではないため、金属イオンにより電解質膜の性能に影響を与えることを回避できる。更に、ガス拡散電極に造孔剤として混在させた粉末状の金属あるいは金属塩を強酸性水溶液により溶解させて除去するものではないため、ガス拡散部材に残留した金属イオンが電解質膜の官能基と結合して電解質膜の性能に影響を与えることを回避できる。   Furthermore, according to the present embodiment, since metal ions are not dissolved in a strongly acidic aqueous solution, it is possible to avoid the influence of the metal ions on the performance of the electrolyte membrane. Furthermore, since the powdered metal or metal salt mixed as a pore-forming agent in the gas diffusion electrode is not removed by dissolving with a strong acidic aqueous solution, the metal ions remaining in the gas diffusion member are not separated from the functional groups of the electrolyte membrane. Bonding and affecting the performance of the electrolyte membrane can be avoided.

(実施例2)
基本的には実施例1と同様な方法でガス拡散部材を製造した。但し、ポリビニルアルコールの配合量を実施例1よりも高めて20gとした。ポリビニルアルコールの配合量20gは、水500gに対して3.8%に相当する((20g/(500g+20g)×100%≒3.8wt%)。そして、ガス拡散部材について、カーボンインク固形分含有量、ガス透過性を実施例1と同じ方法で測定した。
(Example 2)
Basically, a gas diffusion member was produced in the same manner as in Example 1. However, the blending amount of polyvinyl alcohol was set higher than that of Example 1 to 20 g. A blending amount of 20 g of polyvinyl alcohol is equivalent to 3.8% with respect to 500 g of water ((20 g / (500 g + 20 g) × 100% ≈3.8 wt%). Gas permeability was measured by the same method as in Example 1.

(実施例3)
基本的には実施例1と同様な方法でガス拡散部材を製造した。但し、ポリビニルアルコールの配合量を実施例1よりも高めて30gとした。ポリビニルアルコールの配合量30gは、水500gに対して5.7%に相当する((30g/(500g+30g)×100%≒5.7wt%)。そして、ガス拡散部材について、カーボンインク固形分含有量、ガス透過性を実施例1と同じ方法で測定した。
(Example 3)
Basically, a gas diffusion member was produced in the same manner as in Example 1. However, the blending amount of polyvinyl alcohol was higher than that of Example 1 to 30 g. A blending amount of 30 g of polyvinyl alcohol is equivalent to 5.7% with respect to 500 g of water ((30 g / (500 g + 30 g) × 100% ≈5.7 wt%). Gas permeability was measured by the same method as in Example 1.

(実施例4)
基本的には実施例1と同様な方法でガス拡散部材を製造した。但し、ポリビニルアルコールの配合量を実施例1よりも高めて40gとした。ポリビニルアルコールの配合量40gは、水500gに対して7.4%に相当する((40g/(500g+40g)×100%≒7.4wt%)。そして、ガス拡散部材について、カーボンインク固形分含有量、ガス透過性を実施例1と同じ方法で測定した。
Example 4
Basically, a gas diffusion member was produced in the same manner as in Example 1. However, the blending amount of polyvinyl alcohol was 40 g higher than that of Example 1. A blending amount of 40 g of polyvinyl alcohol corresponds to 7.4% with respect to 500 g of water ((40 g / (500 g + 40 g) × 100% ≈7.4 wt%)). Gas permeability was measured by the same method as in Example 1.

(実施例5)
基本的には実施例1と同様な方法でガス拡散部材を製造した。但し、ポリビニルアルコールの配合量を実施例1よりも高めて50gとした。ポリビニルアルコールの配合量50gは、水500gに対して9%に相当する((50g/(500g+50g)×100%≒9
wt%)。そして、ガス拡散部材についてカーボンインク固形分含有量、ガス透過性を実施例1と同じ方法で測定した。
(Example 5)
Basically, a gas diffusion member was produced in the same manner as in Example 1. However, the blending amount of polyvinyl alcohol was higher than that of Example 1 to 50 g. A blending amount of 50 g of polyvinyl alcohol is equivalent to 9% with respect to 500 g of water ((50 g / (500 g + 50 g) × 100% ≈9
wt%). The carbon ink solid content and gas permeability of the gas diffusion member were measured by the same method as in Example 1.

(実施例6)
基本的には実施例1と同様な方法でガス拡散部材を製造した。但し、ポリビニルアルコールの配合量を実施例1よりも高めて60gとした。ポリビニルアルコールの配合量60gは、水500gに対して11%に相当する((60g/(500g+60g)×100%≒11wt%)。そして、ガス拡散部材についてカーボンインク固形分含有量、ガス透過性を実施例1と同じ方法で測定した。なおポリビニルアルコールの配合量が60gの場合には、ポリビニルアルコール水溶液の粘性はかなり高くなり、ポリビニルアルコール水溶液の含浸性が低下する傾向が認められたので、配合量は60gまでとした。
(Example 6)
Basically, a gas diffusion member was produced in the same manner as in Example 1. However, the blending amount of polyvinyl alcohol was set higher than that of Example 1 to 60 g. The blending amount of polyvinyl alcohol 60g corresponds to 11% with respect to 500g of water ((60g / (500g + 60g) x 100% ≒ 11wt%). The viscosity was measured by the same method as in Example 1. When the blending amount of polyvinyl alcohol was 60 g, the viscosity of the polyvinyl alcohol aqueous solution was considerably high, and the tendency of the impregnation property of the polyvinyl alcohol aqueous solution to decrease was observed. The blending amount was up to 60 g.

(実施例7)
基本的には実施例1と同様な方法でガス拡散部材を製造した。但し、実施例1よりもポリビニルアルコールの重合度を高めるものの、アルコールの配合量を10gから5gに減少させた。つまり、ポリビニルアルコール(重合度1000)5gとした。ポリビニルアルコールの配合量5gは、水500gに対して1%に相当する((5g/(500g+5g)×100%≒1wt%)。そして、ガス拡散部材についてカーボンインク固形分含有量、ガス透過性を実施例1と同じ方法で測定した。
(Example 7)
Basically, a gas diffusion member was produced in the same manner as in Example 1. However, although the degree of polymerization of polyvinyl alcohol was higher than that in Example 1, the blending amount of alcohol was reduced from 10 g to 5 g. That is, it was set to 5 g of polyvinyl alcohol (polymerization degree 1000). A blending amount of 5 g of polyvinyl alcohol is equivalent to 1% with respect to 500 g of water ((5 g / (500 g + 5 g) × 100% ≈1 wt%). The properties were measured in the same manner as in Example 1.

(実施例8)
基本的には実施例1と同様な方法でガス拡散部材を製造した。但し、実施例1よりもポリビニルアルコールの重合度、配合量を高めた。つまり、ポリビニルアルコール(重合度1000)15gとした。つまり、ポリビニルアルコール(重合度1000)15gとした。ポリビニルアルコールの配合量15gは、水500gに対して3%に相当する((15g/(500g+15g)×100%≒3wt%)。そして、ガス拡散部材についてカーボンインク固形分含有量、ガス透過性を実施例1と同じ方法で測定した。
(Example 8)
Basically, a gas diffusion member was produced in the same manner as in Example 1. However, the polymerization degree and blending amount of polyvinyl alcohol were higher than in Example 1. That is, it was 15 g of polyvinyl alcohol (degree of polymerization 1000). That is, it was 15 g of polyvinyl alcohol (degree of polymerization 1000). A blending amount of 15 g of polyvinyl alcohol is equivalent to 3% with respect to 500 g of water ((15 g / (500 g + 15 g) × 100% ≈3 wt%)). The properties were measured in the same manner as in Example 1.

(実施例9)
基本的には実施例1と同様な方法でガス拡散部材を製造した。但し、実施例1よりもポリビニルアルコールの重合度、配合量を高めた。つまり、ポリビニルアルコール(重合度2000)15gとした。ポリビニルアルコールの配合量15gは、水500gに対して3%に相当する((15g/(500g+15g)×100%≒3wt%)。そして、ガス拡散部材についてカーボンインク固形分含有量、ガス透過性を実施例1と同じ方法で測定した。
Example 9
Basically, a gas diffusion member was produced in the same manner as in Example 1. However, the polymerization degree and blending amount of polyvinyl alcohol were higher than in Example 1. That is, it was set to 15 g of polyvinyl alcohol (degree of polymerization 2000). A blending amount of 15 g of polyvinyl alcohol is equivalent to 3% with respect to 500 g of water ((15 g / (500 g + 15 g) × 100% ≈3 wt%)). The properties were measured in the same manner as in Example 1.

(実施例10)
基本的には実施例1と同様な方法でガス拡散部材を製造した。但し、実施例1よりもポリビニルアルコールの重合度、配合量を高めた。つまり、ポリビニルアルコール(重合度2800)15gとした。ポリビニルアルコールの配合量15gは、水500gに対して3%に相当する((15g/(500g+15g)×100%≒3wt%)。そして、ガス拡散部材のカーボンインク固形分含有量、ガス透過性を実施例1と同じ方法で測定した。
(Example 10)
Basically, a gas diffusion member was produced in the same manner as in Example 1. However, the polymerization degree and blending amount of polyvinyl alcohol were higher than in Example 1. That is, 15 g of polyvinyl alcohol (polymerization degree 2800) was used. A blending amount of 15 g of polyvinyl alcohol is equivalent to 3% with respect to 500 g of water ((15 g / (500 g + 15 g) × 100% ≈3 wt%).) The properties were measured in the same manner as in Example 1.

(比較例1)
比較例1によれば、実施例1と同様な方法でガス拡散部材を製造した。但し、造孔剤として機能する高分子水溶液(ポリビニルアルコール水溶液)をカーボンペーパに含浸しなかった。そして、ガス拡散部材についてカーボンインク固形分含有量、ガス透過性を実施例1と同じ方法で測定した。
(Comparative Example 1)
According to Comparative Example 1, a gas diffusion member was produced in the same manner as in Example 1. However, the carbon paper was not impregnated with a polymer aqueous solution (polyvinyl alcohol aqueous solution) functioning as a pore-forming agent. The carbon ink solid content and gas permeability of the gas diffusion member were measured by the same method as in Example 1.

(評価)
表1は試験結果を示す。
(Evaluation)
Table 1 shows the test results.

Figure 2005216511
Figure 2005216511

(垂直方向ガス透過性)
垂直方向ガス透過性については、表1に示すように、実施例1〜実施例10では29μm/[Pa・S]を越えており、良好であった。殊に、実施例3〜6,実施例10では100μm/[Pa・S]を越えており、良好であった。なかでも実施例4〜6では500μm/[Pa・S]を越えており、良好であった。垂直方向ガス透過性についてみれば、実施例6が最も良好であった。
(Vertical gas permeability)
As shown in Table 1, the gas permeability in the vertical direction was good in Examples 1 to 10, exceeding 29 μm / [Pa · S]. Particularly, in Examples 3 to 6 and Example 10, it exceeded 100 μm / [Pa · S] and was good. Especially in Examples 4-6, it exceeded 500 micrometers / [Pa * S] and was favorable. In terms of vertical gas permeability, Example 6 was the best.

(面内方向ガス透過性)
面内方向ガス透過性については、表1に示すように、実施例1〜実施例10では 0.13L/[min・MPa]を越えており良好であった。殊に、実施例2〜6,実施例10では、1.0L/[min・MPa]を越えており良好であった。なかでも実施例4〜6では4L/[min・MPa]を越えており良好であった。面内方向ガス透過性についてみれば、実施例6が最も良好であった。
(In-plane direction gas permeability)
As shown in Table 1, in-plane gas permeability was excellent in Examples 1 to 10, exceeding 0.13 L / [min · MPa]. In particular, in Examples 2 to 6 and Example 10, it exceeded 1.0 L / [min · MPa] and was good. Especially in Examples 4-6, it exceeded 4L / [min * MPa] and was favorable. In terms of in-plane gas permeability, Example 6 was the best.

(カーボンインク固形分含有量)
カーボンインク固形分含有量については、実施例1〜実施例10,比較例1では大きな差はなかった。
(Carbon ink solid content)
Regarding the carbon ink solid content, there was no significant difference between Examples 1 to 10 and Comparative Example 1.

上記したように垂直方向ガス透過性及び面内方向ガス透過性の双方について、実施例6が最も良好であった。造孔材として機能できるポリビニルアルコールがカーボンペーパの内部に含浸し、その後の加熱により熱分解して蒸散したものと推察される。   As described above, Example 6 was the best for both the vertical gas permeability and the in-plane gas permeability. It is presumed that polyvinyl alcohol that can function as a pore-forming material impregnates the inside of the carbon paper and is thermally decomposed and evaporated by subsequent heating.

(細孔分布)
上記したように製造したガス拡散部材の細孔分布を、水銀圧入法により測定した。水銀にかける圧力を段階的に変化させて細孔分布を求めた。図7は比較例1を示す。図8は実施例2を示す。図9は実施例4を示す。図10は実施例10を示す。図7に示すように、比較例1によれば、細孔サイズが0.1μmを越える範囲においては、細孔サイズのピーク域は特に認められなかった。細孔サイズのピーク領域としては、実施例2では約19〜26μmであり、実施例4では約21〜30μm、約39〜60μmであり、実施例10では約10〜22μmであった。ポリビニルアルコールの重合度が同じであれば、ポリビニルアルコールの配合量が多いほど、細孔サイズが大きくなる傾向が認められた。図7〜図10に示すように、実施例に係るガス拡散部材によれば、流動性をもつ造孔剤としてのポリビニルアルコール水溶液において、ポリビニルアルコールの重合度及び/または配合量を調整すれば、細孔サイズのピークを適宜調整することができる。
(Pore distribution)
The pore distribution of the gas diffusion member produced as described above was measured by mercury porosimetry. The pore distribution was determined by gradually changing the pressure applied to mercury. FIG. 7 shows Comparative Example 1. FIG. 8 shows a second embodiment. FIG. 9 shows a fourth embodiment. FIG. 10 shows a tenth embodiment. As shown in FIG. 7, according to Comparative Example 1, in the range where the pore size exceeds 0.1 μm, the peak region of the pore size was not particularly recognized. The peak area of the pore size was about 19 to 26 μm in Example 2, about 21 to 30 μm and about 39 to 60 μm in Example 4, and about 10 to 22 μm in Example 10. When the polymerization degree of polyvinyl alcohol was the same, the tendency that the pore size increased as the blending amount of polyvinyl alcohol increased. As shown in FIGS. 7-10, according to the gas diffusion member which concerns on an Example, in the polyvinyl alcohol aqueous solution as a pore-forming agent which has fluidity, if the polymerization degree and / or compounding quantity of polyvinyl alcohol are adjusted, The peak of the pore size can be adjusted as appropriate.

(適用例)
図11は適用例を示す。図11に示すように、燃料電池は、イオン伝導性(プロトン伝導性)をもつ電解質膜50と、電解質膜50の厚み方向の一方の片側に設けられた燃料極を形成するガス拡散部材1Aと、電解質膜50の厚み方向の他方の片側に設けられた酸化剤極を形成するガス拡散部材1Bと、燃料極を形成するガス拡散部材1Aに燃料を供給する燃料流路61をもつカーボンまたは金属で形成された燃料配流板60と、酸化剤極を形成するガス拡散部材1Bに酸化剤を供給する酸化剤流路71をもつカーボンまたは金属で形成された酸化剤配流板70とを有する。電解質膜50とガス拡散部材1Aとの間には、触媒及びイオン伝導物質を主要成分とする触媒層70Aが設けられている。電解質膜50とガス拡散部材1Bとの間には、触媒及びイオン伝導物質を主要成分とする触媒層70Bが設けられている。ガス拡散部材1A,1Bによれば、ガス透過性が良好であるため、発電出力を向上させるのに有利である。
(Application example)
FIG. 11 shows an application example. As shown in FIG. 11, the fuel cell includes an electrolyte membrane 50 having ion conductivity (proton conductivity), and a gas diffusion member 1A that forms a fuel electrode provided on one side in the thickness direction of the electrolyte membrane 50. Carbon or metal having a gas diffusion member 1B for forming an oxidant electrode provided on the other side in the thickness direction of the electrolyte membrane 50 and a fuel flow path 61 for supplying fuel to the gas diffusion member 1A for forming a fuel electrode And an oxidant flow plate 70 made of carbon or metal having an oxidant flow channel 71 for supplying an oxidant to the gas diffusion member 1B forming the oxidant electrode. Between the electrolyte membrane 50 and the gas diffusion member 1A, a catalyst layer 70A having a catalyst and an ion conductive material as main components is provided. Between the electrolyte membrane 50 and the gas diffusion member 1B, a catalyst layer 70B having a catalyst and an ion conductive material as main components is provided. According to the gas diffusion members 1A and 1B, since the gas permeability is good, it is advantageous for improving the power generation output.

(他の例)
また、ポリビニルアルコール水溶液で形成された流動性をもつ造孔剤の粘度が過剰に高いとき、当該流動性をもつ造孔剤がカーボンペーパの表出面に過剰に付着することがある。この場合、カーボンペーパの表出面に対する導電層の密着性が低下するおそれがある。そこで、カーボンペーパの内部に含浸した造孔剤を残留させたまま、図3(B)に示すように、カーボンペーパの表出面に過剰に付着した当該流動性をもつ造孔剤を、除去要素により取り除く操作を必要に応じて行うことができる。この除去要素としては、カーボンペーパの表出面に過剰に付着した当該流動性をもつ造孔剤を掻き取る機能、当該流動性をもつ造孔剤を掻き取るふき取る機能等を有するものを例示することができる。この結果、カーボンペーパの表出面に対する導電層の密着性が確保される。
(Other examples)
In addition, when the viscosity of the pore forming agent having fluidity formed with an aqueous polyvinyl alcohol solution is excessively high, the pore forming agent having fluidity may adhere excessively to the exposed surface of the carbon paper. In this case, the adhesion of the conductive layer to the exposed surface of the carbon paper may be reduced. Therefore, as shown in FIG. 3 (B), the pore forming agent having the fluidity excessively attached to the exposed surface of the carbon paper is removed while leaving the pore forming agent impregnated inside the carbon paper. The removal operation can be performed as necessary. Examples of the removal element include those having a function of scraping off the pore forming agent having the fluidity excessively attached to the exposed surface of the carbon paper and a function of scraping off the pore forming agent having the fluidity. Can do. As a result, the adhesion of the conductive layer to the exposed surface of the carbon paper is ensured.

上記した実施例によれば、高分子材料としてポリビニルアルコールが採用されているが、これに限られるものでなく、前述した高分子材料を適宜用いることができる。その他、本発明は上記し且つ図面に示した実施例のみに限定されるものではなく、要旨を逸脱しない範囲内で適宜変更して実施できるものである。   According to the above embodiment, polyvinyl alcohol is employed as the polymer material, but the present invention is not limited to this, and the above-described polymer material can be used as appropriate. In addition, the present invention is not limited to the embodiments described above and shown in the drawings, and can be implemented with appropriate modifications within a range not departing from the gist.

本発明は車両用、定置用、携帯用の燃料電池に使用されるガス拡散部材に利用することができる。   The present invention can be used for gas diffusion members used in fuel cells for vehicles, stationary and portable.

実施例の製造過程を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the manufacture process of an Example. 製造過程の概念を示す構成図である。It is a block diagram which shows the concept of a manufacturing process. (A)はカーボンペーパに導電ペーストを塗布した状態を模式的に示す断面図であり、(B)はカーボンペーパの表出面に残留する流動性をもつ造孔剤を除去する状態を模式的に示す断面図である。(A) is sectional drawing which shows typically the state which apply | coated the electrically conductive paste to carbon paper, (B) typically shows the state which removes the pore forming agent with the fluidity | liquidity which remains on the exposed surface of carbon paper. It is sectional drawing shown. ガス拡散部材の内部構造を模式的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows the internal structure of a gas diffusion member typically. ガス拡散部材の垂直方向ガス透過性を測定する原理を示す構成図である。It is a block diagram which shows the principle which measures the vertical direction gas permeability of a gas diffusion member. ガス拡散部材の面内方向ガス透過性を測定する原理を示す構成図である。It is a block diagram which shows the principle which measures the in-plane direction gas permeability of a gas diffusion member. 比較例1に係る細孔分布を示すグラフである。5 is a graph showing a pore distribution according to Comparative Example 1. 実施例2に係る細孔分布を示すグラフである。6 is a graph showing a pore distribution according to Example 2. 実施例4に係る細孔分布を示すグラフである。10 is a graph showing a pore distribution according to Example 4. 実施例10に係る細孔分布を示すグラフであるIt is a graph which shows the pore distribution which concerns on Example 10. 適用例に係る燃料電池の概念を模式的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows typically the concept of the fuel cell which concerns on an application example.

符号の説明Explanation of symbols

図中、1はガス拡散部材、10は基材層、12は導電層を示す。   In the figure, 1 is a gas diffusion member, 10 is a base material layer, and 12 is a conductive layer.

Claims (8)

耐食性をもつ導電体を基材とするシート本体の内部に、流動性をもつ造孔剤を保持したシートを形成するシート形成工程と、
前記シート形成工程を経た前記シートを加熱して前記シートの内部に保持されている前記造孔剤を前記シートの外方に蒸散させて細孔を形成する造孔工程とを含むことを特徴とする燃料電池用ガス拡散部材の製造方法。
A sheet forming step of forming a sheet holding a fluid pore-forming agent inside a sheet main body based on a conductor having corrosion resistance;
A hole forming step of heating the sheet that has undergone the sheet forming step and evaporating the pore forming agent held inside the sheet to the outside of the sheet to form pores. A method for manufacturing a gas diffusion member for a fuel cell.
耐食性をもつ導電体を基材とするシート本体の内部に、高分子材料を主要成分とする流動性をもつ造孔剤を保持したシートを形成するシート形成工程と、
前記シート形成工程を経た前記シートを加熱して前記シートの内部の高分子材料を前記シートの外方に蒸散させて細孔を形成する造孔工程とを含むことを特徴とする燃料電池用ガス拡散部材の製造方法。
A sheet forming step of forming a sheet holding a fluid pore-forming agent having a polymer material as a main component inside a sheet main body based on a conductor having corrosion resistance;
A fuel cell gas comprising: a hole forming step of heating the sheet that has undergone the sheet forming step to evaporate a polymer material inside the sheet to the outside of the sheet to form pores. Manufacturing method of diffusion member.
耐食性をもつ導電体を基材とするシート本体の内部に、流動性をもつ造孔剤を保持したシートを形成するシート形成工程と、
前記シート形成工程を経たシートの表出面に、導電材料を含む導電層を配置する配置工程と、
前記配置工程を経た前記シートを加熱し、前記シートの内部に保持されている前記造孔剤を前記シートの外方に蒸散させて細孔を形成する造孔工程とを含むことを特徴とする燃料電池用ガス拡散部材の製造方法。
A sheet forming step of forming a sheet holding a fluid pore-forming agent inside a sheet main body based on a conductor having corrosion resistance;
An arranging step of arranging a conductive layer containing a conductive material on the exposed surface of the sheet that has undergone the sheet forming step;
A hole forming step of heating the sheet that has undergone the placement step and evaporating the pore forming agent held inside the sheet to the outside of the sheet to form pores. A method for producing a gas diffusion member for a fuel cell.
請求項2において、前記高分子材料は水溶性高分子材料であることを特徴とする燃料電池用ガス拡散部材の製造方法。   3. The method of manufacturing a fuel cell gas diffusion member according to claim 2, wherein the polymer material is a water-soluble polymer material. 請求項2または請求項4において、前記高分子材料は、ポリビニルアルコール、ポリビニルピロリドン、ポリビニルメチルエーテル、ポリエチレンオキサイド、ポリエチレングリコール、ポリアクリルアミド、セルロース、デンプン、ゼラチン、ワックスから選ばれる少なくとも1種であることを特徴とする燃料電池用ガス拡散部材の製造方法。   5. The polymer material according to claim 2, wherein the polymer material is at least one selected from polyvinyl alcohol, polyvinyl pyrrolidone, polyvinyl methyl ether, polyethylene oxide, polyethylene glycol, polyacrylamide, cellulose, starch, gelatin, and wax. A method for producing a gas diffusion member for a fuel cell. 請求項1〜請求項5のうちのいずれか一項において、前記シート形成工程は、前記流動性をもつ造孔剤と、前記耐食性をもつ導電体を基材とする1次シートとを用い、前記流動性をもつ造孔剤を前記1次シートの内部に含浸させることにより実施されることを特徴とする燃料電池用ガス拡散部材の製造方法。   In any one of Claims 1-5, the said sheet | seat formation process uses the said pore forming agent which has the fluidity | liquidity, and the primary sheet | seat which uses the conductor which has the said corrosion resistance as a base material, A method for producing a gas diffusion member for a fuel cell, which is performed by impregnating the inside of the primary sheet with the pore forming agent having fluidity. 請求項6において、前記シート形成工程では、前記1次シートの表出面に過剰に付着した前記流動性をもつ造孔剤を、除去要素により取り除く操作を行うことを特徴とする燃料電池用ガス拡散部材の製造方法。   7. The fuel cell gas diffusion according to claim 6, wherein, in the sheet forming step, an operation of removing the fluid pore forming agent excessively attached to the exposed surface of the primary sheet by a removing element is performed. Manufacturing method of member. 請求項1〜請求項7のうちのいずれか一項で形成した燃料電池用ガス拡散部材を有する燃料電池。   The fuel cell which has the gas diffusion member for fuel cells formed in any one of Claims 1-7.
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