JP2005327675A - Gas diffusion layer and mea for fuel cell using this - Google Patents

Gas diffusion layer and mea for fuel cell using this Download PDF

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a gas diffusion layer which can improve corrosion resistance of the conductive material constituting a conductive water repellent layer and can demonstrate a stable performance for a long period. <P>SOLUTION: The problem is solved by a gas diffusion layer which has a conductive water repellent layer and a conductive base material containing a conductive material of which combustion temperature in the air atmosphere is 650°C or more. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、ガス拡散層に関し、より詳細には長期間安定した性能を示すことができるガス拡散層に関する。   The present invention relates to a gas diffusion layer, and more particularly to a gas diffusion layer that can exhibit stable performance over a long period of time.

近年、エネルギー・環境問題を背景とした社会的要求や動向と呼応して、常温でも作動し高出力密度が得られる固体高分子電解質型燃料電池が電気自動車用電源、定置型電源として注目されている。固体高分子電解質型燃料電池は、フィルム状の固体高分子電解質膜からなる電解質層を用いるのが特徴である。   In recent years, in response to social demands and trends against the background of energy and environmental problems, solid polymer electrolyte fuel cells that can operate at room temperature and obtain high output density have attracted attention as power sources for electric vehicles and stationary power sources. Yes. The solid polymer electrolyte fuel cell is characterized by using an electrolyte layer made of a film-like solid polymer electrolyte membrane.

固体高分子電解質型燃料電池の構成は、一般的には、膜−電極接合体(MEA)をセパレータで挟持した単電池セルを複数積層した構造となっている。また、MEAは、電極触媒を高分散した電極触媒層により電解質層が挟持された構造を有する。   The configuration of a solid polymer electrolyte fuel cell generally has a structure in which a plurality of unit cells each having a membrane-electrode assembly (MEA) sandwiched between separators are stacked. The MEA has a structure in which an electrolyte layer is sandwiched between electrode catalyst layers in which an electrode catalyst is highly dispersed.

MEAでは、以下のような電気化学的反応が進行する。まず、燃料極(アノード)側電極触媒層に供給された燃料ガスに含まれる水素は、触媒粒子により酸化され、プロトンおよび電子となる。次に、生成したプロトンは、電極触媒層に含まれるプロトン導電性電解質、さらに電極触媒層と接触している固体高分子電解質膜を通り、酸素極(カソード)側電極触媒層に達する。また、アノード側電極触媒層で生成した電子は、電極触媒層を構成している導電性担体、さらに電極触媒層の固体高分子電解質膜と異なる側に接触しているガス拡散層、ガスセパレータおよび外部回路などを通してカソード側電極触媒層に達する。そして、カソード側電極触媒層に達したプロトンおよび電子はカソード側に供給されている酸化剤ガスに含まれる酸素と反応し水を生成する。燃料電池では、上述した電気化学的反応を通して、電気を外部に取り出すことが可能となる。   In MEA, the following electrochemical reaction proceeds. First, hydrogen contained in the fuel gas supplied to the fuel electrode (anode) side electrode catalyst layer is oxidized by the catalyst particles to become protons and electrons. Next, the produced protons pass through the proton conductive electrolyte contained in the electrode catalyst layer and the solid polymer electrolyte membrane in contact with the electrode catalyst layer, and reach the oxygen electrode (cathode) side electrode catalyst layer. Electrons generated in the anode-side electrode catalyst layer include a conductive carrier constituting the electrode catalyst layer, a gas diffusion layer in contact with a different side of the electrode catalyst layer from the solid polymer electrolyte membrane, a gas separator, and It reaches the cathode electrode catalyst layer through an external circuit. The protons and electrons that have reached the cathode-side electrode catalyst layer react with oxygen contained in the oxidant gas supplied to the cathode side to generate water. In the fuel cell, electricity can be taken out through the above-described electrochemical reaction.

前記電気化学的反応は、電極触媒層中の、電極触媒、固体高分子電解質、燃料ガスまたは酸化剤ガスが接触する三相界面において進行する。前記電気化学的反応を電極触媒層中で均一に進行させるには、セパレータを介して供給されたガスを均一に電極触媒層へと供給させるとともに、前記化学反応により生成した水を外部へ速やかに排出させることなどが必要である。   The electrochemical reaction proceeds at a three-phase interface in the electrode catalyst layer where the electrode catalyst, the solid polymer electrolyte, the fuel gas, or the oxidant gas contacts. In order to make the electrochemical reaction proceed uniformly in the electrode catalyst layer, the gas supplied through the separator is uniformly supplied to the electrode catalyst layer, and the water generated by the chemical reaction is promptly discharged to the outside. It is necessary to discharge.

そのため、MEAの両側に、ガス拡散層を配置するのが一般的である。ガス拡散層は、カーボン繊維などからなる導電性基材を用いて構成されており、多孔質である。ガス拡散層が存在することにより、適切なガス拡散、水の移動、集電性を実現することができる。   Therefore, it is common to arrange gas diffusion layers on both sides of the MEA. The gas diffusion layer is formed using a conductive base material made of carbon fiber or the like, and is porous. Due to the presence of the gas diffusion layer, appropriate gas diffusion, water movement, and current collection can be realized.

また、ガス拡散層の撥水性をさらに向上させることで電極触媒層の水などの排出をより速やかに行うこと等を目的として、ガス拡散層を構成する導電性基材に撥水処理を行ったり、導電性基材上に炭素粒子などの導電性材料やPTFEなどを含む導電性撥水層を配置するのが有効である(例えば、特許文献1参照。)。   In addition, the water repellent treatment may be performed on the conductive substrate constituting the gas diffusion layer for the purpose of more quickly discharging water and the like of the electrode catalyst layer by further improving the water repellency of the gas diffusion layer. It is effective to dispose a conductive water repellent layer containing a conductive material such as carbon particles or PTFE on a conductive base material (see, for example, Patent Document 1).

前記導電性撥水層は、一般的には、粉末状の導電性材料が集合体となって存在し、繊維などからなる導電性基材よりも緻密な構造となっている。これにより、電極触媒層と十分な接触を保つことができ集電に有利であり、供給されるガスを拡散させてより均一に電極触媒層へ供給することができるとともに、電極触媒層中の電気化学的反応により生じた水を外部へ排出するのを促進させることができる。さらに、導電性基材がカーボン繊維などからなる場合、電極触媒層や固体高分子電解質膜を損傷する恐れがあるが、導電性撥水層により損傷を防止することができる。
特開2002−289204号公報
In general, the conductive water-repellent layer has a powdery conductive material as an aggregate, and has a denser structure than a conductive substrate made of fibers or the like. As a result, sufficient contact with the electrode catalyst layer can be maintained, which is advantageous for current collection, and the supplied gas can be diffused and supplied to the electrode catalyst layer more uniformly. It is possible to promote the discharge of water generated by a chemical reaction to the outside. Furthermore, when the conductive substrate is made of carbon fiber or the like, the electrode catalyst layer and the solid polymer electrolyte membrane may be damaged, but the conductive water-repellent layer can prevent damage.
JP 2002-289204 A

しかしながら、MEAの長期間に亘る連続運転や起動停止など様々な原因によって電極電位が変化して電極が高電位などとなったとき、導電性撥水層を構成している導電性材料が電気化学的に酸化されて腐食し、ガス拡散層として機能する部位が減少することにより、経時的にMEAの性能低下を招く問題がある。   However, when the electrode potential changes to a high potential due to various causes such as continuous operation and start / stop of the MEA for a long period of time, the conductive material constituting the conductive water repellent layer is electrochemical. As a result, the number of sites that function as a gas diffusion layer decreases due to oxidation and corrosion, leading to a problem that the performance of the MEA deteriorates over time.

MEAは、長期に亘って所望の発電性能を発揮できることが求められ、自動車で5000時間、家庭用では4万時間ともいわれている。従って、MEAの性能を長期に亘って発揮させるには、ガス拡散層の構成部材を安定した状態に保つ必要がある。   The MEA is required to exhibit desired power generation performance over a long period of time, and is said to be 5000 hours for automobiles and 40,000 hours for home use. Therefore, in order to exhibit the performance of MEA over a long period of time, it is necessary to keep the constituent members of the gas diffusion layer in a stable state.

そこで、本発明が目的とするところは、耐食性の高い導電性材料を導電性撥水層に用いることにより、長期間安定した性能を示すことができるガス拡散層を提供することである。   Accordingly, an object of the present invention is to provide a gas diffusion layer that can exhibit stable performance for a long period of time by using a conductive material having high corrosion resistance for the conductive water-repellent layer.

本発明では、ガス拡散層における導電性撥水層を構成する部材の耐食性を確保するために鋭意検討した結果、所定の燃焼温度を有する導電性材料が耐食性に優れることを見出した。   In the present invention, as a result of intensive studies to ensure the corrosion resistance of the members constituting the conductive water-repellent layer in the gas diffusion layer, it has been found that a conductive material having a predetermined combustion temperature is excellent in corrosion resistance.

すなわち、本発明は、空気雰囲気における燃焼温度が650℃以上である導電性材料を含む導電性撥水層と、導電性基材と、を有することを特徴とするガス拡散層である。   That is, the present invention is a gas diffusion layer having a conductive water repellent layer containing a conductive material having a combustion temperature of 650 ° C. or higher in an air atmosphere, and a conductive base material.

本発明の導電性材料は、貴電位環境下や強酸性雰囲気下などにおいても優れた耐食性を有する。従って、かような導電性材料を用いた導電性撥水層によれば、長期に渡り安定した性能を示すことができるガス拡散層を提供することが可能となる。本発明のガス拡散層によれば、燃料電池用MEAの性能安定化や長寿命化を図ることができる。   The conductive material of the present invention has excellent corrosion resistance even in a noble potential environment or a strongly acidic atmosphere. Therefore, according to the conductive water repellent layer using such a conductive material, it is possible to provide a gas diffusion layer that can exhibit stable performance over a long period of time. According to the gas diffusion layer of the present invention, it is possible to stabilize the performance and extend the life of the MEA for fuel cells.

本発明は、上述した通り、空気雰囲気における燃焼温度が650℃以上である導電性材料を含む導電性撥水層と、導電性基材と、を有することを特徴とするガス拡散層である。   As described above, the present invention is a gas diffusion layer having a conductive water repellent layer containing a conductive material having a combustion temperature in an air atmosphere of 650 ° C. or higher and a conductive base material.

本発明において、前記燃焼温度とは、導電性材料が有する物性値であり、具体的には、空気雰囲気下で所定の温度以上となった時に前記導電性材料が燃焼することにより質量が急激に減少し始める温度を意味する。より具体的には、図1に示すように、空気雰囲気中での前記導電性材料の熱重量分析において、横軸を温度、縦軸を質量減少率としてプロットした時に、質量が急激に減少する前の範囲における接線と、質量が急激に減少する範囲における接線との交点を燃焼温度とする。   In the present invention, the combustion temperature is a physical property value of the conductive material, and specifically, the mass of the conductive material is rapidly increased by burning the conductive material when the temperature is equal to or higher than a predetermined temperature in an air atmosphere. It means the temperature that starts to decrease. More specifically, as shown in FIG. 1, in the thermogravimetric analysis of the conductive material in an air atmosphere, the mass rapidly decreases when the horizontal axis is plotted as the temperature and the vertical axis as the mass reduction rate. The intersection of the tangent in the previous range and the tangent in the range where the mass rapidly decreases is defined as the combustion temperature.

前記導電性材料としては、空気雰囲気中での燃焼温度が650℃以上、好ましくは700℃以上、より好ましくは740℃以上という特性を有するものを用いる。かような導電性材料は、貴電位環境や強酸性雰囲気などにおいても腐食が抑制され、長期間安定した状態を保つことができる。従って、前記導電性材料を導電性撥水層に用いることにより、耐久性に優れるガス拡散層が得られる
また、後記する炭素材料を不活性ガス雰囲気中で熱処理することにより、得られる導電性材料の燃焼温度を高くすることができる。これは、熱処理などにより黒鉛化された導電性材料は黒鉛構造に似た三次元的結晶格子からなる黒鉛化層が表面に形成され、黒鉛化が進むにつれて結晶格子間の微細な空隙部分が少なくなり、導電性材料表面の結晶構造が黒鉛の結晶構造に近づくためである。
As the conductive material, a material having a characteristic that the combustion temperature in an air atmosphere is 650 ° C. or higher, preferably 700 ° C. or higher, more preferably 740 ° C. or higher is used. Such a conductive material can suppress corrosion even in a noble potential environment or a strongly acidic atmosphere, and can maintain a stable state for a long period of time. Therefore, by using the conductive material for the conductive water-repellent layer, a gas diffusion layer having excellent durability can be obtained. Also, a conductive material obtained by heat-treating a carbon material described later in an inert gas atmosphere. The combustion temperature can be increased. This is because the conductive material graphitized by heat treatment has a graphitized layer consisting of a three-dimensional crystal lattice resembling the graphite structure on the surface, and as the graphitization proceeds, there are fewer fine voids between the crystal lattices. This is because the crystal structure of the surface of the conductive material approaches the crystal structure of graphite.

炭素材料の前記熱処理は、具体的には、窒素、ヘリウム、アルゴンなどの不活性雰囲気中、2000℃以上、特に2500℃以上で行うのが好ましい。このように熱処理を不活性ガス雰囲気下で行うことにより、グラファイト化でき、これによって導電性材料の燃焼温度を上げることができる。   Specifically, the heat treatment of the carbon material is preferably performed at 2000 ° C. or more, particularly 2500 ° C. or more in an inert atmosphere such as nitrogen, helium, or argon. Thus, by performing heat processing in inert gas atmosphere, it can graphitize and, thereby, the combustion temperature of an electroconductive material can be raised.

前記導電性材料は、BET比表面積が500m/g以下、好ましくは300m/g以下、より好ましくは150m/g以下のものを用いるのがよい。本発明では、導電性材料の耐食性に関して検討した結果、BET比表面積が500m/gを超える導電性材料では、表面に形成された黒鉛化層の厚さが薄く、所望するほどの耐食性が得られない恐れがあることが判明した。そこで、導電性材料は、BET比表面積が500m/g以下のものを用いるのが好ましい。 The conductive material may have a BET specific surface area of 500 m 2 / g or less, preferably 300 m 2 / g or less, more preferably 150 m 2 / g or less. In the present invention, as a result of examining the corrosion resistance of the conductive material, the conductive material having a BET specific surface area of more than 500 m 2 / g has a thin graphitized layer formed on the surface, and the desired corrosion resistance is obtained. It turns out that there is a fear of not being able to. Therefore, it is preferable to use a conductive material having a BET specific surface area of 500 m 2 / g or less.

前記導電性材料は、格子面間隔d002が、0.350nm以下、好ましくは0.336〜0.350nmとするのがよい。かような導電性材料は、表面の黒鉛化層が十分に発達し、高い耐食性、電子伝導性などを有する。 The conductive material may have a lattice spacing d 002 of 0.350 nm or less, preferably 0.336 to 0.350 nm. Such a conductive material has a sufficiently developed surface graphitized layer and has high corrosion resistance, electronic conductivity, and the like.

本発明において、「格子面間隔d002」とは、導電性材料の黒鉛構造に基づく六角網面の面間隔であり、六角網面の垂直方向であるc軸方向の格子定数の1/2層間距離の平均値を意味する。 In the present invention, the “lattice plane distance d 002 ” is the plane distance of the hexagonal mesh plane based on the graphite structure of the conductive material, and is a ½ layer of the lattice constant in the c-axis direction that is perpendicular to the hexagonal mesh plane Means the average distance.

本発明の導電性撥水層に用いられる導電性材料は、電子伝導性の高い材料を用いる必要がある。これは、アノード側に配置されたガス拡散層はアノード側電極触媒層で生成された電子を外部回路へ取り出す役割を有し、さらに、カソード側に配置されたガス拡散層は外部回路を経由してきた電子をカソード側電極触媒層へと伝導させる役割を有するため、電子伝導性が高い材料を用いることにより燃料電池の内部抵抗などを低減させることができる。   The conductive material used for the conductive water repellent layer of the present invention needs to use a material having high electron conductivity. This is because the gas diffusion layer arranged on the anode side has a role of taking out electrons generated in the anode-side electrocatalyst layer to an external circuit, and the gas diffusion layer arranged on the cathode side passes through the external circuit. Therefore, the internal resistance of the fuel cell can be reduced by using a material having high electron conductivity.

導電性撥水層を構成する導電性材料として具体的には、電子伝導性が高い材料として、炭素を主成分に含む炭素材料などが挙げられ、より具体的には、カーボンブラック、活性炭、コークス、黒鉛、炭素繊維などの炭素材料が挙げられる。なかでも、電子伝導性、耐食性、などに優れるため、カーボンブラックを用いるのが好ましい。   Specific examples of the conductive material constituting the conductive water repellent layer include a carbon material containing carbon as a main component as a material having high electron conductivity, and more specifically, carbon black, activated carbon, coke. , Carbon materials such as graphite and carbon fiber. Of these, carbon black is preferably used because of its excellent electron conductivity, corrosion resistance, and the like.

なお、本発明において、炭素を主成分に含む炭素材料とは、炭素原子のみからなる、実質的に炭素原子からなる、の双方を含む概念である。場合によっては、ガス拡散層などの特性を向上させるために、炭素原子以外の元素が含まれていてもよい。なお、実質的に炭素原子からなるとは、2〜3質量%程度以下の不純物の混入が許容されることを意味する。   In the present invention, the carbon material containing carbon as a main component is a concept that includes both carbon atoms and substantially carbon atoms. In some cases, elements other than carbon atoms may be included in order to improve the characteristics of the gas diffusion layer and the like. In addition, being substantially composed of carbon atoms means that mixing of impurities of about 2 to 3% by mass or less is allowed.

導電性材料は、上記した炭素材料の他に、ITO、ATOなどの金属、金属酸化物を用いることもできる。   As the conductive material, in addition to the above-described carbon material, metals such as ITO and ATO, and metal oxides can also be used.

本発明において導電性撥水層は、前記導電性材料の他に、撥水性材料を含むのが好ましい。電極触媒層へ燃料ガスや酸化剤ガスを効率よく供給するには、電極触媒層で生成した水分を効率よく排出してガス供給経路の水つまりを抑制する必要がある。従って、導電性撥水層が撥水性材料をさらに含むことにより、電子伝導性、ガス拡散性、および排水性に優れるガス拡散層を提供することが可能となる。   In the present invention, the conductive water repellent layer preferably contains a water repellent material in addition to the conductive material. In order to efficiently supply the fuel gas and the oxidant gas to the electrode catalyst layer, it is necessary to efficiently drain the water generated in the electrode catalyst layer and suppress water clogging in the gas supply path. Therefore, when the conductive water repellent layer further contains a water repellent material, it is possible to provide a gas diffusion layer excellent in electron conductivity, gas diffusibility, and drainage.

撥水性材料として、フッ素原子を含有するフッ素材料、ポリプロピレン、ポリエチレンなど従来一般的に用いられているものであれば特に限定されない。なかでも、高い撥水性を有することから、PTFE(ポリテトラフルオロエチレン)、PFA(テトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体)、およびPVDF(ポリビニリデンフルオライド)の群から選択される少なくとも1種のフッ素材料が好ましく挙げられる。   The water-repellent material is not particularly limited as long as it is a conventionally used material such as a fluorine material containing fluorine atoms, polypropylene, or polyethylene. Especially, since it has high water repellency, at least one selected from the group of PTFE (polytetrafluoroethylene), PFA (tetrafluoroethylene / perfluoroalkyl vinyl ether copolymer), and PVDF (polyvinylidene fluoride). Specified fluorine materials are preferred.

導電性撥水層において導電性材料と撥水性材料との混合比は、導電性材料が多過ぎると期待するほど撥水性が得られないおそれがあり、撥水性材料が多過ぎると十分な電子伝導性が得られない恐れがある。これらを考慮して、導電性撥水層における導電性材料と撥水性材料との混合比は、質量比で、90:10〜40:60程度とするのがよい。   In the conductive water-repellent layer, the mixing ratio of the conductive material and the water-repellent material may be insufficient to obtain the water repellency as expected when there are too many conductive materials. There is a risk that sex may not be obtained. Considering these, the mixing ratio of the conductive material and the water-repellent material in the conductive water-repellent layer is preferably about 90:10 to 40:60 in terms of mass ratio.

導電性撥水層の厚さは、10〜300μm、好ましくは20〜100μmとするのがよい。10μm未満であると導電性撥水層による効果が期待するほど得られない恐れがあり、300μmを超えると厚すぎてガス拡散性や水の排出性が低下する恐れがある。   The thickness of the conductive water repellent layer is 10 to 300 μm, preferably 20 to 100 μm. If it is less than 10 μm, the effect of the conductive water repellent layer may not be obtained as expected, and if it exceeds 300 μm, it is too thick and gas diffusibility and water discharge may be reduced.

本発明のガス拡散層に用いられる導電性基材としては、特に限定されず、炭素製の織物、紙状抄紙体、不織布といった導電性及び多孔質性を有するシート状材料を基材とするものなどが挙げられる。また、導電性基材として、市販されているものを用いてもよく、例えば、東レ株式会社製カーボンペーパTGPシリーズ、E−TEK社製カーボンクロスなどが挙げられる。   The conductive base material used for the gas diffusion layer of the present invention is not particularly limited, and the base material is a sheet-like material having conductivity and porosity such as a carbon woven fabric, a paper-like paper body, and a nonwoven fabric. Etc. Moreover, what is marketed may be used as an electroconductive base material, for example, carbon paper TGP series by Toray Industries, Inc., carbon cloth by E-TEK, etc. are mentioned.

前記導電性基材の厚さは、得られるガス拡散層の特性を考慮して適宜決定すればよいが、30〜500μm程度とすればよい。厚さが、30μm未満であると十分な機械的強度などが得られない恐れがあり、500μmを超えるとガスや水などが透過する距離が長くなり望ましくない。   The thickness of the conductive substrate may be appropriately determined in consideration of the characteristics of the obtained gas diffusion layer, but may be about 30 to 500 μm. If the thickness is less than 30 μm, sufficient mechanical strength or the like may not be obtained, and if it exceeds 500 μm, the distance through which gas or water permeates is undesirably increased.

前記導電性基材の空隙率としては、得られるガス拡散層のガスの拡散性、水の排出性、機械的強度などを考慮して適宜決定すればよいが、50〜90%の範囲内とするのがよい。   The porosity of the conductive substrate may be appropriately determined in consideration of gas diffusibility, water dischargeability, mechanical strength, and the like of the obtained gas diffusion layer, and is within a range of 50 to 90%. It is good to do.

本発明のガス拡散層の製造方法は、従来一般的な方法を用いて行えばよい。まず、カーボンブラックなどの導電性材料、ポリテトラフルオロエチレンなどの撥水性材料等を、水、パーフルオロベンゼン、ジクロロペンタフルオロプロパン、パーフルオロ(2−ブチルテトラヒドロフラン)、メタノール、エタノール等のアルコール系溶媒などの溶媒中に分散させることによりスラリーを調製する。   The method for producing a gas diffusion layer of the present invention may be performed using a conventional general method. First, a conductive material such as carbon black, a water repellent material such as polytetrafluoroethylene, and the like, an alcohol solvent such as water, perfluorobenzene, dichloropentafluoropropane, perfluoro (2-butyltetrahydrofuran), methanol, and ethanol. A slurry is prepared by dispersing in a solvent such as.

また、前記導電性基材は、撥水性を高めることによりフラッディング現象を抑制するなどを目的として、公知の手段を用いて、予め撥水処理を行うのが好ましい。撥水処理方法としては、例えば、導電性基材をPTFEといったフッ素材料の分散液に浸漬した後、オーブン等を用いて乾燥させる方法などが挙げられる。乾燥方法としては、特に限定されないが、大気中または窒素雰囲気中などで、100℃以下に加熱して行えばよい。   In addition, the conductive substrate is preferably subjected to a water repellent treatment in advance using a known means for the purpose of suppressing flooding by increasing water repellency. Examples of the water repellent treatment method include a method in which a conductive substrate is immersed in a dispersion of a fluorine material such as PTFE and then dried using an oven or the like. Although it does not specifically limit as a drying method, What is necessary is just to heat to 100 degrees C or less in air | atmosphere or nitrogen atmosphere.

次に、前記スラリーを導電性基材上に塗布し乾燥、もしくは、前記スラリーを一度乾燥させ粉砕することで粉体にし、これを前記導電性基材上に塗布する。これにより、導電性基材上に導電性撥水層が形成されたガス拡散層が得られる。   Next, the slurry is applied on a conductive substrate and dried, or the slurry is once dried and pulverized to form a powder, which is applied on the conductive substrate. Thereby, a gas diffusion layer in which a conductive water repellent layer is formed on a conductive substrate is obtained.

前記スラリーをガス拡散層に塗布する方法としては、ドクターブレード法、スクリーンプリンタ法、スプレー法など、任意の方法を用いて行えばよい。   As a method of applying the slurry to the gas diffusion layer, any method such as a doctor blade method, a screen printer method, or a spray method may be used.

塗布する際に、前記スラリーを導電性基材の空孔の一部に含浸させると、アンカー効果により得られる導電性撥水層と導電性基材とを強く接合させることができる。スラリーを含浸させる深さは、導電性基材の空孔が塞がれるなどしてガス拡散性を低下させない程度の深さとするのがよく、また、得られる導電性撥水層と導電性基材とを十分に固着させることができるのであれば浅い方が望ましい。前記スラリーがあまり深く含浸しないようにするには、先に導電性基材の撥水処理を行っておくとよい。   When the slurry is impregnated into a part of the pores of the conductive base material during application, the conductive water repellent layer obtained by the anchor effect and the conductive base material can be strongly bonded. The depth for impregnating the slurry should be such that the pores of the conductive substrate are not blocked and the gas diffusivity is not lowered, and the obtained conductive water repellent layer and conductive group are obtained. The shallower one is desirable if the material can be sufficiently fixed. In order to prevent the slurry from being so deeply impregnated, it is preferable to perform a water-repellent treatment on the conductive substrate first.

得られたガス拡散層は、マッフル炉や焼成炉を用いて300〜400℃程度で熱処理を施してもよい。これにより撥水性材料が融点以上の温度となることにより溶着し、ガス拡散層の構造を長期に亘り安定に保つことが可能となる。   The obtained gas diffusion layer may be heat-treated at about 300 to 400 ° C. using a muffle furnace or a firing furnace. As a result, the water repellent material is welded when the temperature is equal to or higher than the melting point, and the structure of the gas diffusion layer can be kept stable for a long time.

本発明のガス拡散層の製造方法として、上述した方法では、導電性基材上に直接、導電性撥水層を形成する方法であったが、他に、PTFEなどのフィルム上に導電性撥水層を形成した後、導電性基材上に転写する方法であってもよい。   In the method described above, the method for producing the gas diffusion layer of the present invention is a method in which a conductive water repellent layer is formed directly on a conductive substrate, but in addition, a conductive repellent layer is formed on a film such as PTFE. After forming an aqueous layer, the method of transferring on a conductive substrate may be used.

本発明の第二は、上述したガス拡散層を有する燃料電池用MEA(以下、単に「MEA」とも記載する。)である。耐食性に優れる導電性材料を含む導電性撥水層を有する本発明のガス拡散層は、耐久性に優れることから長期間に亘り安定した性能を示すことができ、MEAに好適に用いられる。   A second aspect of the present invention is an MEA for a fuel cell (hereinafter also simply referred to as “MEA”) having the gas diffusion layer described above. The gas diffusion layer of the present invention having a conductive water-repellent layer containing a conductive material excellent in corrosion resistance can exhibit stable performance over a long period of time because of its excellent durability, and is suitably used for MEA.

MEAの構造としては、特に限定されず、固体高分子電解質膜の両側に、電極触媒層と、ガス拡散層が配置された一般的な構造であればよい。   The structure of the MEA is not particularly limited, and may be a general structure in which an electrode catalyst layer and a gas diffusion layer are disposed on both sides of the solid polymer electrolyte membrane.

本発明の第一のガス拡散層は、MEAのカソード側またはアノード側の少なくとも一方のガス拡散層として用いられればよい。このとき、導電性基材と電極触媒層との間に導電性撥水層が配置されるようにガス拡散層を配置する。   The first gas diffusion layer of the present invention may be used as at least one gas diffusion layer on the cathode side or anode side of the MEA. At this time, the gas diffusion layer is disposed so that the conductive water-repellent layer is disposed between the conductive substrate and the electrode catalyst layer.

しかしながら、得られるMEAの耐久性を向上させるために、アノード側、カソード側の双方に本発明の第一のガス拡散層が配置されるのがより好ましい。   However, in order to improve the durability of the obtained MEA, it is more preferable that the first gas diffusion layer of the present invention is disposed on both the anode side and the cathode side.

燃料電池におけるその他の構成要件としては、以下に一例を記載するが、本発明がこれに限定されることはなく従来公知の各種技術を適宜参照して用いればよい。   An example of other constituent elements in the fuel cell is described below, but the present invention is not limited to this and may be used by appropriately referring to various conventionally known techniques.

アノード側およびカソード側に用いられる電極触媒層は、導電性担体に触媒粒子が担持されてなる電極触媒と、固体高分子電解質と、を少なくとも含む。   The electrode catalyst layer used on the anode side and the cathode side includes at least an electrode catalyst in which catalyst particles are supported on a conductive carrier, and a solid polymer electrolyte.

前記導電性担体としては、触媒粒子を所望の分散状態で担持させるための比表面積、および、集電体としての十分な電子導電性などを有しているものであればよく、カーボンブラック、活性炭、コークス、天然黒鉛、人造黒鉛など、従来一般的に用いられているものであればよい。   The conductive carrier may have any specific surface area for supporting the catalyst particles in a desired dispersed state and sufficient electronic conductivity as a current collector, such as carbon black, activated carbon. , Coke, natural graphite, artificial graphite, etc., as long as they are conventionally used.

前記導電性担体の大きさとしては、特に限定されないが、電極触媒層の厚みを適切な範囲で制御するという観点からは、平均一次粒子径が5〜200nm、好ましくは10〜100nm程度とするのがよい。   The size of the conductive carrier is not particularly limited, but from the viewpoint of controlling the thickness of the electrode catalyst layer within an appropriate range, the average primary particle diameter is 5 to 200 nm, preferably about 10 to 100 nm. Is good.

前記触媒粒子は、水素の酸化反応、及び酸素の還元反応に触媒作用を有することが求められ、少なくとも白金を含むのが好ましい。   The catalyst particles are required to have a catalytic action in a hydrogen oxidation reaction and an oxygen reduction reaction, and preferably contain at least platinum.

また、一酸化炭素などに対する耐被毒性、耐熱性などを向上させるために、ルテニウム、イリジウム、ロジウム、パラジウム、オスミウム、タングステン、鉛、鉄、クロム、コバルト、ニッケル、マンガン、バナジウム、モリブデン、ガリウム、アルミニウムなどから選択される少なくとも1種以上の金属と、白金との合金であってもよい。   In addition, in order to improve the toxicity resistance, heat resistance, etc. against carbon monoxide, ruthenium, iridium, rhodium, palladium, osmium, tungsten, lead, iron, chromium, cobalt, nickel, manganese, vanadium, molybdenum, gallium, It may be an alloy of platinum and at least one metal selected from aluminum and the like.

導電性担体に担持される触媒粒子の平均粒子径は、1〜30nmであることが好ましい。触媒粒子は、平均粒子径が小さいほど比表面積が大きくなるため触媒活性も向上すると推測されるが、実際は、触媒粒子径を極めて小さくしても、比表面積の増加分に見合った触媒活性は得られない恐れがあるため、上記範囲とするのが好ましい。また、触媒粒子の担持量は、所望する触媒活性を有する電極触媒が得られるように適宜決定すればよい。   The average particle diameter of the catalyst particles supported on the conductive carrier is preferably 1 to 30 nm. Although it is speculated that the catalyst particles improve the catalyst activity because the specific surface area increases as the average particle size decreases, in fact, even if the catalyst particle size is extremely small, the catalyst activity commensurate with the increase in specific surface area is obtained. Therefore, the above range is preferable. Further, the supported amount of catalyst particles may be appropriately determined so that an electrode catalyst having a desired catalytic activity can be obtained.

なお、触媒粒子の平均粒子径は、X線回折における触媒粒子の回折ピークの半値幅より求められる結晶子径あるいは透過型電子顕微鏡像より調べられる触媒粒子の微粒子径の平均値により測定することができる。   The average particle diameter of the catalyst particles can be measured by the crystallite diameter obtained from the half-value width of the diffraction peak of the catalyst particles in X-ray diffraction or the average value of the fine particle diameter of the catalyst particles determined from a transmission electron microscope image. it can.

電極触媒層に用いられる固体高分子電解質としては、特に限定されず公知のものを用いることができるが、少なくとも高いプロトン伝導性を有する部材であればよい。具体的には、NAFION(デュポン社登録商標)などのスルホン酸基を有するパーフルオロカーボン重合体、リン酸などの無機酸を炭化水素系高分子化合物にドープさせたもの、一部がプロトン伝導性の官能基で置換された有機/無機ハイブリッドポリマー、高分子マトリックスにリン酸溶液や硫酸溶液を含浸させたプロトン伝導体、などが挙げられる。   The solid polymer electrolyte used for the electrode catalyst layer is not particularly limited, and a known one can be used as long as it is a member having at least high proton conductivity. Specifically, a perfluorocarbon polymer having a sulfonic acid group such as NAFION (registered trademark of DuPont), a hydrocarbon polymer compound doped with an inorganic acid such as phosphoric acid, a part of which is proton conductive. Examples thereof include organic / inorganic hybrid polymers substituted with functional groups, proton conductors in which a polymer matrix is impregnated with a phosphoric acid solution or a sulfuric acid solution, and the like.

本発明において、電極触媒層の製造方法としては、従来公知の方法に従って行えばよい。例えば、固体高分子電解質および電極触媒を、水やアルコール系溶媒に混合して電極触媒層インクとし、これをガス拡散層、固体高分子電解質膜またはPTFE製シートなどの基材上に塗布後、乾燥させる方法などである。   In the present invention, the electrode catalyst layer may be produced according to a conventionally known method. For example, a solid polymer electrolyte and an electrode catalyst are mixed with water or an alcohol solvent to form an electrode catalyst layer ink, which is applied onto a substrate such as a gas diffusion layer, a solid polymer electrolyte membrane or a PTFE sheet, It is a method of drying.

また、前記電極触媒層インクには、固体高分子電解質、電極触媒の他に、PTFE、PFA、PVDFといった撥水性高分子などの各種添加剤が含まれてもよい。これにより、得られる電極触媒層の撥水性を高めることができ、発電時に生成した水などを速やかに排出することができる。前記撥水性高分子の含有量に関しては、得られるMEAの特性を考慮して適宜決定すればよい。   The electrode catalyst layer ink may contain various additives such as a water repellent polymer such as PTFE, PFA, and PVDF in addition to the solid polymer electrolyte and the electrode catalyst. Thereby, the water repellency of the obtained electrode catalyst layer can be increased, and water generated at the time of power generation can be quickly discharged. The content of the water repellent polymer may be appropriately determined in consideration of the properties of the obtained MEA.

次に、本発明のMEAに用いられる固体高分子電解質膜としては、特に限定されないが、電極触媒層の説明において列挙したのと同様の固体高分子電解質からなるのものなどが挙げられる。その例としては、デュポン社製NAFION、旭硝子社製FLEMION、旭化成社製ACIPLEX等が挙げられる。その他、ダウケミカル社製のイオン交換樹脂、エチレン−四フッ化エチレン共重合体樹脂膜、トリフルオロスチレンをベースポリマーとする樹脂膜などのフッ素系高分子電解質や、スルホン酸基を有する炭化水素系樹脂系膜などを用いてもよい。   Next, the solid polymer electrolyte membrane used in the MEA of the present invention is not particularly limited, and examples thereof include those made of the same solid polymer electrolyte as listed in the description of the electrode catalyst layer. Examples include NAFION manufactured by DuPont, FLEMION manufactured by Asahi Glass Co., and ACIPLEX manufactured by Asahi Kasei. In addition, fluoropolymer electrolytes such as ion exchange resins manufactured by Dow Chemical Co., ethylene-tetrafluoroethylene copolymer resin membranes, resin membranes based on trifluorostyrene, and hydrocarbons having sulfonic acid groups A resin film or the like may be used.

前記固体高分子電解質膜の厚みとしては、得られるMEAの特性を考慮して適宜決定すればよいが、好ましくは5〜300μm、より好ましくは10〜200μm、特に好ましくは15〜150μmである。製膜時の強度やMEA作動時の耐久性の観点から5μm以上であることが好ましく、MEA作動時の出力特性の観点から300μm以下であることが好ましい。   The thickness of the solid polymer electrolyte membrane may be appropriately determined in consideration of the properties of the obtained MEA, but is preferably 5 to 300 μm, more preferably 10 to 200 μm, and particularly preferably 15 to 150 μm. From the viewpoint of strength during film formation and durability during MEA operation, it is preferably 5 μm or more, and from the viewpoint of output characteristics during MEA operation, it is preferably 300 μm or less.

本発明のMEAの製造方法としては、従来公知の方法に従って行えばよい。例えば、上述の通り、ガス拡散層上に電極触媒層を形成し、これを二枚用いて固体高分子電解質膜を挟持した後、ホットプレスする方法などが挙げられる。   What is necessary is just to perform according to a conventionally well-known method as a manufacturing method of MEA of this invention. For example, as described above, a method of forming an electrode catalyst layer on a gas diffusion layer, sandwiching a solid polymer electrolyte membrane by using two electrode catalyst layers, and then hot pressing may be used.

ホットプレスは、好ましくは110〜170℃で、電極面に対して1〜5MPaのプレス圧力で行うのがよい。これにより固体高分子電解質膜と触媒層との接合性を高めることができる。   Hot pressing is preferably performed at 110 to 170 ° C. and a pressing pressure of 1 to 5 MPa with respect to the electrode surface. Thereby, the bondability between the solid polymer electrolyte membrane and the catalyst layer can be enhanced.

また、PTFE製シート上などに電極触媒層を形成した場合には、電極触媒層が内側となるように固体高分子電解質膜を挟持した後、上記と同様にしてホットプレスをした後、PTFE製シートのみを剥がせばよい。   When an electrode catalyst layer is formed on a PTFE sheet or the like, after sandwiching the solid polymer electrolyte membrane so that the electrode catalyst layer is on the inside, hot pressing is performed in the same manner as described above, and then PTFE It is only necessary to peel off the sheet.

本発明の第三は、上述したガス拡散層またはMEAを用いた燃料電池である。上述した本発明のガス拡散層またはこれを用いたMEAによれば、長期に亘り安定した発電性能を示すことができる燃料電池を提供することができる。前記ガス拡散層および前記MEAを用いた燃料電池は、多量の水が発生する高電流密度、高加湿での運転条件下等にも好適に用いられる。   A third aspect of the present invention is a fuel cell using the above-described gas diffusion layer or MEA. According to the gas diffusion layer of the present invention described above or the MEA using the same, a fuel cell that can exhibit stable power generation performance over a long period of time can be provided. The fuel cell using the gas diffusion layer and the MEA is also suitably used under a high current density where a large amount of water is generated, operating conditions under high humidification, and the like.

燃料電池の種類としては、所望する電池特性が得られるのであれば特に限定されないが、実用性・安全性などの観点から固体高分子電解質型燃料電池(PEFC)として用いるのが好ましい。これにより、移動体用電源、定置用電源として信頼性の高い燃料電池が得られる。   The type of the fuel cell is not particularly limited as long as desired battery characteristics can be obtained, but it is preferably used as a solid polymer electrolyte fuel cell (PEFC) from the viewpoints of practicality and safety. Thereby, a highly reliable fuel cell can be obtained as a power source for moving bodies and a stationary power source.

燃料電池の構造は、特に限定されず、MEAをセパレータなどで挟持した構造などが挙げられる。   The structure of the fuel cell is not particularly limited, and examples thereof include a structure in which MEA is sandwiched between separators.

セパレータは、空気と燃料ガスとを分離する機能を有するものであり、それらの流路を確保するためにガス流通溝が形成されてもよく、従来公知の技術を適宜利用することができる。セパレータの形状は、特に限定されず、得られる燃料電池の出力特性などを考慮して適宜決定すればよい。   The separator has a function of separating air and fuel gas, and a gas flow groove may be formed in order to secure the flow path, and a conventionally known technique can be appropriately used. The shape of the separator is not particularly limited, and may be appropriately determined in consideration of the output characteristics of the obtained fuel cell.

さらに、燃料電池が所望する電圧等を得られるように、セパレータを介してMEAを複数積層して直列に繋いだスタックを形成してもよい。燃料電池の形状などは、特に限定されず、所望する電圧などの電池特性が得られるように適宜決定すればよい。   Furthermore, a stack in which a plurality of MEAs are stacked via a separator and connected in series may be formed so that the fuel cell can obtain a desired voltage or the like. The shape of the fuel cell is not particularly limited, and may be determined as appropriate so that desired battery characteristics such as voltage can be obtained.

以下、本発明を実施例に基づいて具体的に説明する。本発明は、下記実施例のみに限定されることはない。   Hereinafter, the present invention will be specifically described based on examples. The present invention is not limited to the following examples.

<実施例1>
・導電性基材の撥水処理
はじめに、カーボンペーパ(東レ株式会社製カーボンペーパTGP−H−090)を5cm角に打ち抜いた導電性基材を準備した。この導電性基材を、PTFEのフッ素系水性ディスパージョン溶液(ダイキン工業社製 ポリフロンD−1E、PTFE60wt%含有)を純水で所定の濃度に調整した溶液中に5分浸漬させた後、オーブン内にて60℃、30分間乾燥させることにより、カーボンペーパ中にPTFEを分散させた。このとき、PTFE含有量は25wt%であった。これにより、撥水処理された導電性基材を得た。
<Example 1>
-Water-repellent treatment of conductive substrate First, a conductive substrate in which carbon paper (carbon paper TGP-H-090 manufactured by Toray Industries, Inc.) was punched into a 5 cm square was prepared. After immersing this conductive base material in a PTFE fluorine-based aqueous dispersion solution (polyflon D-1E manufactured by Daikin Industries, Ltd., containing 60 wt% PTFE) adjusted to a predetermined concentration with pure water, The PTFE was dispersed in the carbon paper by drying at 60 ° C. for 30 minutes. At this time, the PTFE content was 25 wt%. As a result, a water-repellent conductive substrate was obtained.

・導電性撥水層の作製
続いて、カーボンブラック(Cabot社製 ブラックパール)をアルゴン雰囲気下、約2900℃、約5時間熱処理して、グラファイト化カーボンブラック(燃焼温度700℃、比表面積260m/g、格子面間隔d0020.349nm)を得た。導電性材料としてこのグラファイト化カーボンブラックと、PTFEのフッ素系水性ディスパージョン溶液(ダイキン工業社製 ポリフロンD−1E、PTFE60wt%含有)とを、質量比で8:2の割合で混合および攪拌し、導電性撥水層インクを作製した。
-Production of conductive water-repellent layer Subsequently, carbon black (Black Pearl manufactured by Cabot) was heat-treated in an argon atmosphere at about 2900 ° C for about 5 hours to produce graphitized carbon black (combustion temperature 700 ° C, specific surface area 260 m 2). / g, lattice spacing d 002 0.349 nm). Mixing and stirring this graphitized carbon black as a conductive material and PTFE fluorine-based aqueous dispersion solution (containing Daikin Industries, Ltd., Polyflon D-1E, PTFE 60 wt%) in a mass ratio of 8: 2. A conductive water repellent layer ink was prepared.

得られた導電性撥水層インクを、先に作製した撥水処理された導電性基材の一方の面にドクターブレード法により均一に塗布し、オーブン内にて60℃、30分間乾燥させた後、さらにマッフル炉にて350℃、30分間熱焼成を行った。これにより、導電性基材上に導電性撥水層が形成されたガス拡散層が得られた。導電性基材1cmあたりに形成された導電性撥水層の重量は約3mgであった。 The obtained conductive water-repellent layer ink was uniformly applied to one surface of the previously prepared water-repellent conductive substrate by the doctor blade method and dried in an oven at 60 ° C. for 30 minutes. Thereafter, it was further fired at 350 ° C. for 30 minutes in a muffle furnace. Thereby, the gas diffusion layer in which the electroconductive water repellent layer was formed on the electroconductive base material was obtained. The weight of the conductive water repellent layer formed per 1 cm 2 of the conductive substrate was about 3 mg.

作製したガス拡散層を評価するため、以下に従ってMEAを作製し、これの性能評価を行った。   In order to evaluate the produced gas diffusion layer, an MEA was produced according to the following, and performance evaluation was performed.

・MEAの作製
カーボンブラック(Cabot社製 Vulcan XC72)をアルゴン雰囲気下、約2900℃、約5時間熱処理した導電性担体粉末1gを、0.4%の白金を含有する塩化白金酸水溶液250g中にホモジナイザーを用いて十分に分散させた後、これにホルムアルデヒド20mlを加え、還流反応装置を使用して50℃に加熱し、白金粒子の還元担持を行った。そして、室温まで放冷した後、白金粒子が担持された導電性担体を濾別し、85℃において12時間乾燥させることにより、電極触媒(Pt:粒径2〜3nm、担持量約50wt%)を得た。
-Production of MEA 1 g of conductive carrier powder obtained by heat-treating carbon black (Vulcan XC72 manufactured by Cabot) at about 2900 ° C. for about 5 hours in an argon atmosphere in 250 g of an aqueous chloroplatinic acid solution containing 0.4% platinum. After sufficiently dispersing using a homogenizer, 20 ml of formaldehyde was added thereto and heated to 50 ° C. using a reflux reactor to carry out reduction loading of platinum particles. And after standing to cool to room temperature, the electroconductive support | carrier with which the platinum particle was carry | supported is separated by filtration, and it is made to dry at 85 degreeC for 12 hours, and an electrocatalyst (Pt: particle size 2-3 nm, carrying amount about 50 wt%) Got.

得られた電極触媒10g、ナフィオン/イソプロピルアルコール溶液(デュポン社製、ナフィオン5wt%含有)90g、純水25g、イソプロピルアルコール(和光純薬工業社製 特級試薬)10gを、20℃で保持するよう設定したウォーターバス中のガラス容器にて、ホモジナイザーを用いて3時間混合分散することで、電極触媒スラリーとした。この電極触媒スラリーを、PTFE製シート(ニチアス社製ナフロン(登録商標)シート、厚さ200μm、5cm角)の片面上に、スクリーンプリンタを用いて塗布し、オーブン中で100℃、30分間乾燥させることにより、電極触媒層をPTEF製シート上に形成した。   10 g of the obtained electrode catalyst, 90 g of Nafion / isopropyl alcohol solution (manufactured by DuPont, containing 5 wt% of Nafion), 25 g of pure water, and 10 g of isopropyl alcohol (special grade reagent manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) are set to be kept at 20 ° C. The electrode catalyst slurry was obtained by mixing and dispersing in a glass container in the water bath using a homogenizer for 3 hours. This electrocatalyst slurry is applied on one side of a PTFE sheet (Naflon (registered trademark) sheet manufactured by NICHIAS Corporation, thickness 200 μm, 5 cm square) using a screen printer and dried in an oven at 100 ° C. for 30 minutes. Thus, an electrode catalyst layer was formed on the PTEF sheet.

固体高分子電解質膜(DuPont社製NAFION NR−112、厚さ約50μm、10cm角)を挟んで、先に作製した2枚の電極触媒層形成PTFE製シートの電極触媒層形成側が内側となるように重ねて、PTFE製シートあたり20Kg/cmの圧力で、150℃、10分間ホットプレスし、冷却後、PTFE製シートのみを剥がすことで、固体高分子電解質膜に電極触媒層を転写させ接合体を得た。このとき、PTFE製シートから固体高分子電解質への電極触媒層の転写率が100%で、固体高分子電解質膜上の片面電極触媒層面積1cmあたりの白金重量が0.50mgとなるようにした。 With the solid polymer electrolyte membrane (DuPont NAFION NR-112, thickness of about 50 μm, 10 cm square) sandwiched between the two electrode catalyst layer forming PTFE sheets prepared earlier, the electrode catalyst layer forming side is on the inside The electrode catalyst layer is transferred to the solid polymer electrolyte membrane and bonded by hot pressing at 150 ° C. for 10 minutes at a pressure of 20 Kg / cm 2 per PTFE sheet, cooling, and then removing only the PTFE sheet after cooling. Got the body. At this time, the transfer rate of the electrode catalyst layer from the PTFE sheet to the solid polymer electrolyte is 100%, and the platinum weight per 1 cm 2 of the single-sided electrode catalyst layer area on the solid polymer electrolyte membrane is 0.50 mg. did.

続いて、接合体の両面に、先に作製したガス拡散層を導電性撥水層が内側となるように配置し、MEAとした。   Subsequently, the gas diffusion layer prepared earlier was arranged on both surfaces of the joined body so that the conductive water-repellent layer was on the inside, thereby forming an MEA.

その後、作製したMEAに、ガス流路付きガスセパレータ、シール材を配置し、さらに金メッキしたステンレス製集電板で挟持して所定の面圧になるように締め付け、図2に示す固体高分子電解質型燃料電池の単セルとした。   Thereafter, a gas separator with a gas flow path and a sealing material are arranged on the manufactured MEA, and are further clamped by a gold-plated stainless steel current collector plate so as to have a predetermined surface pressure. The solid polymer electrolyte shown in FIG. Type fuel cell.

・性能評価
単セルを80℃に温調し、アノード側に燃料ガスとして水素(露点80℃)を、カソード側には酸化剤として空気(露点60℃)を供給した。また、単セルの排気側圧力は大気圧とした。
-Performance evaluation The single cell was temperature-controlled at 80 degreeC, hydrogen (dew point 80 degreeC) was supplied as fuel gas to the anode side, and air (dew point 60 degreeC) was supplied as an oxidizing agent to the cathode side. The exhaust pressure on the single cell was atmospheric pressure.

続いて、1A/cmの電流密度(水素利用率70%、空気利用率40%)で一時間発電した後、発電を停止した。停止後、水素及び空気の供給を停止し、窒素ガスで単セルを置換し30分間待機した。その後、アノード側に水素ガス、カソード側に空気を再度供給し、再度、1A/cmの電流密度で1時間発電した。 Subsequently, power generation was stopped for 1 hour at a current density of 1 A / cm 2 (hydrogen utilization rate 70%, air utilization rate 40%). After stopping, the supply of hydrogen and air was stopped, the single cell was replaced with nitrogen gas, and the system was on standby for 30 minutes. Thereafter, hydrogen gas was supplied to the anode side and air was supplied to the cathode side again, and power was generated again at a current density of 1 A / cm 2 for 1 hour.

この発電・停止動作を繰り返し単セルの耐久性を評価した。単セルのセル電圧(1A/cmで発電時)の発電−停止サイクル数に対する変化(初期値に対する低下率)を図3に示す。 This power generation / stop operation was repeated to evaluate the durability of the single cell. FIG. 3 shows the change (decrease rate with respect to the initial value) with respect to the number of power generation-stop cycles of the cell voltage of the single cell (when generating power at 1 A / cm 2 ).

<実施例2>
実施例1の導電性撥水層インクの作製において、カーボンブラック(ライオン株式会社製 ケッチェンブラック)をアルゴン雰囲気下、約2900℃、約5時間熱処理して得られたグラファイト化カーボンブラック(燃焼温度710℃、比表面積100m/g、格子面間隔d0020.347nm)を導電性材料として用いた以外は、実施例1と同様にしてガス拡散層、MEAを作製し、これの性能評価を行った。得られた結果を図3に示す。
<Example 2>
In preparation of the conductive water-repellent layer ink of Example 1, graphitized carbon black (combustion temperature) obtained by heat-treating carbon black (Ketjen Black manufactured by Lion Corporation) at about 2900 ° C. for about 5 hours in an argon atmosphere. 710 ° C., specific surface area 100 m 2 / g, lattice spacing d 002 0.347 nm) was used as a conductive material, and a gas diffusion layer and MEA were produced in the same manner as in Example 1 and the performance evaluation was performed. went. The obtained results are shown in FIG.

<実施例3>
実施例1の導電性撥水層インクの作製において、カーボンブラック(Cabot社製 Vulcan XC72)をアルゴン雰囲気下、約2900℃、約5時間熱処理して得られたグラファイト化カーボンブラック(燃焼温度740℃、比表面積80m/g、格子面間隔d0020.340nm)を導電性材料として用いた以外は、実施例1と同様にしてガス拡散層、MEAを作製し、これの性能評価を行った。得られた結果を図3に示す。
<Example 3>
In preparation of the conductive water-repellent layer ink of Example 1, graphitized carbon black (combustion temperature 740 ° C.) obtained by heat-treating carbon black (Vulcan XC72 manufactured by Cabot Corporation) in an argon atmosphere at about 2900 ° C. for about 5 hours. The gas diffusion layer and the MEA were prepared in the same manner as in Example 1 except that the specific surface area was 80 m 2 / g and the lattice spacing d 002 was 0.340 nm), and the performance evaluation was performed. . The obtained results are shown in FIG.

<比較例1>
実施例1の導電性撥水層インクの作製において、カーボンブラック(ライオン株式会社製 ケッチェンブラック、燃焼温度620℃、比表面積800m/g)を熱処理しないで導電性材料として用いた以外は、実施例1と同様にしてガス拡散層、MEAを作製し、これの性能評価を行った。得られた結果を図3に示す。
<Comparative Example 1>
In the production of the conductive water repellent layer ink of Example 1, except that carbon black (Ketjen Black manufactured by Lion Corporation, combustion temperature 620 ° C., specific surface area 800 m 2 / g) was used as the conductive material without heat treatment, A gas diffusion layer and MEA were prepared in the same manner as in Example 1, and performance evaluation was performed. The obtained results are shown in FIG.

なお、実施例1〜3および比較例1で用いた各導電性材料の、燃焼温度、比表面積、格子面間隔d002をまとめて下記表1に示す。 In addition, Table 1 below summarizes the combustion temperature, specific surface area, and lattice spacing d 002 of each conductive material used in Examples 1 to 3 and Comparative Example 1.

図3より比較例1に比べて、実施例1〜3のガス拡散層を用いて作製した燃料電池単セルは、発電−停止サイクルを繰り返した場合のセル性能の低下率は改善されている事がわかる。これは、運転−停止サイクルを繰り返す事により、燃料電池ガス拡散層面内で電気化学的酸化による腐食が発生しやすい導電性材料の耐久性が向上し、長期間安定したガス拡散層が形成できていると考えられる。これにより、長期間安定した性能を示す耐久性の優れた固体高分子型燃料電池を提供できている事がわかる。   Compared with Comparative Example 1 from FIG. 3, the fuel cell single cell produced using the gas diffusion layers of Examples 1 to 3 has an improved cell performance degradation rate when the power generation-stop cycle is repeated. I understand. By repeating the operation-stop cycle, the durability of the conductive material that is likely to be corroded by electrochemical oxidation in the fuel cell gas diffusion layer surface is improved, and a stable gas diffusion layer can be formed for a long time. It is thought that there is. Thus, it can be seen that a solid polymer fuel cell having excellent durability and stable performance for a long time can be provided.

横軸を温度、縦軸を質量減少率として、空気雰囲気における導電性材料の熱重量分析を示すグラフである。It is a graph which shows the thermogravimetric analysis of the electroconductive material in an air atmosphere by setting a horizontal axis as temperature and a vertical axis | shaft as a mass decreasing rate. 実施例において作製した固体高分子電解質型燃料電池の単セルの概略図を示す。The schematic of the single cell of the solid polymer electrolyte fuel cell produced in the Example is shown. 実施例1〜3および比較例1で作製した各ガス拡散層を用いてなる単セルの運転−停止動作時のセル電圧の経時変化特性を示す。The time-dependent change characteristic of the cell voltage at the time of operation-stop operation | movement of the single cell using each gas diffusion layer produced in Examples 1-3 and the comparative example 1 is shown.

符号の説明Explanation of symbols

10…導電性基材、
15…導電性撥水層、
20…電極触媒層、
30…固体高分子電解質膜、
50…シール材、
60…ガスセパレータ、
61…ガス流路。
10 ... conductive substrate,
15 ... conductive water repellent layer,
20 ... Electrocatalyst layer,
30 ... Solid polymer electrolyte membrane,
50 ... sealing material,
60 ... Gas separator,
61: Gas flow path.

Claims (9)

空気雰囲気における燃焼温度が650℃以上である導電性材料を含む導電性撥水層と、導電性基材と、を有することを特徴とするガス拡散層。   A gas diffusion layer comprising: a conductive water repellent layer containing a conductive material having a combustion temperature of 650 ° C. or higher in an air atmosphere; and a conductive base material. 前記導電性材料は、空気雰囲気における燃焼温度が700℃以上であることを特徴とする請求項1記載のガス拡散層。   The gas diffusion layer according to claim 1, wherein the conductive material has a combustion temperature in an air atmosphere of 700 ° C or higher. 前記導電性材料は、比表面積が500m/g以下であることを特徴とする請求項1または2記載のガス拡散層。 The gas diffusion layer according to claim 1 or 2, wherein the conductive material has a specific surface area of 500 m 2 / g or less. 前記導電性材料は、格子面間隔d002が0.350nm以下であることを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載のガス拡散層。 The gas diffusion layer according to claim 1, wherein the conductive material has a lattice spacing d 002 of 0.350 nm or less. 前記導電性材料は、カーボンブラック、活性炭、コークス、および黒鉛の群から選択される少なくとも1種の炭素材料を含むことを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載のガス拡散層。   The gas diffusion layer according to any one of claims 1 to 4, wherein the conductive material includes at least one carbon material selected from the group consisting of carbon black, activated carbon, coke, and graphite. 前記導電性撥水層は、撥水性材料を含むことを特徴とする請求項1〜5のいずれかに記載のガス拡散層。   The gas diffusion layer according to claim 1, wherein the conductive water repellent layer includes a water repellent material. 前記撥水性材料は、PTFE、PFA、およびPVDFの群から選択される少なくとも1種のフッ素材料を含むことを特徴とする請求項6に記載のガス拡散層。   The gas diffusion layer according to claim 6, wherein the water repellent material includes at least one fluorine material selected from the group of PTFE, PFA, and PVDF. 固体高分子電解質膜の両側に、電極触媒層と、ガス拡散層とを有する燃料電池用MEAにおいて、
前記ガス拡散層の少なくとも一方が請求項1〜7のいずれかに記載のガス拡散層であることを特徴とする燃料電池用MEA。
In a fuel cell MEA having an electrode catalyst layer and a gas diffusion layer on both sides of a solid polymer electrolyte membrane,
An MEA for a fuel cell, wherein at least one of the gas diffusion layers is the gas diffusion layer according to any one of claims 1 to 7.
請求項1〜7のいずれかに記載のガス拡散層、または、請求項8に記載の燃料電池用MEAを用いたことを特徴とする燃料電池。   A fuel cell using the gas diffusion layer according to claim 1 or the MEA for fuel cell according to claim 8.
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