JP2006012569A - Manufacturing method for gas diffusion layer for solid polymer electrolyte fuel cell - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a manufacturing method for a gas diffusion layer for a solid polymer electrolyte fuel cell advantageous for preventing pores of the gas diffusion layer from being excessively collapsed or the flow passage cross section of a gas passage of a separator from becoming excessively small. <P>SOLUTION: A process preparing a liquid substance consisting essentially of a conductive material such as a carbon fiber having conductivity and an extinction material which can be extinguished, a sheet formation process forming a sheet consisting essentially of the conductive material and the extinction material by separating a solid content from the liquid substance, and a pore formation process forming the pores in the sheet by extinguishing the extinction material contained in the sheet are carried out in order. The liquid substance contains a solid resin (thermosetting resin etc.), and the resin contained in the liquid substance is supported by the sheet. Therefore, the gas diffusion layer 100 formed with the sheet can be made properly hard. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は固体高分子電解質型燃料電池のガス拡散層の製造方法に関する。   The present invention relates to a method for producing a gas diffusion layer of a solid polymer electrolyte fuel cell.

燃料電池用のガス拡散層として、カーボンペーパやカーボンクロスなどのカーボン繊維を基材としてシート状に形成したものが広く使用されている。そしてガス拡散層としての性能を得るために、これらの基材に導電性を高めるための導電処理や撥水性を施すための撥水処理がなされている。しかしながらこれらの基材は、高コストであるため、燃料電池用のガス拡散層として用いた場合に、燃料電池は高価格となり、実用化に障害となる問題があった。   As a gas diffusion layer for a fuel cell, a sheet formed from a carbon fiber such as carbon paper or carbon cloth as a base material is widely used. And in order to acquire the performance as a gas diffusion layer, the water repellent process for performing the electroconductive process for improving electroconductivity and water repellency to these base materials is made | formed. However, since these base materials are expensive, when used as a gas diffusion layer for a fuel cell, there is a problem that the fuel cell becomes expensive and hinders practical use.

この問題を解決する手段として、特許文献1に開示されているように、カ一ボン繊維及びパルプを主要成分とする液状物であるスラリーを形成し、スラリーに含まれている固形分を堆積させることによりシートを成形し、その後、撥水性を有する高分子材料(PTFE等)をシートの内部に含浸させ、その後、シートを加熱保持することにより、シートに含有されているパルプを消失させてパルプ跡を細孔とし、これにより多孔質のカーボンシートを形成する方法が近年提案されている。このカーボンシートは、撥水性を有する高分子材料(PTFE等)により、カーボン繊維を結合するため、カーボン繊維の結合に柔軟性を有する。従ってこのカーボンシートは、ロール状に巻き取れる柔軟性を有する利点をもち、このためロール搬送性を有し、生産性に優れている。
特開2000−136493号公報
As a means for solving this problem, as disclosed in Patent Document 1, a slurry that is a liquid material mainly composed of carbon fiber and pulp is formed, and solids contained in the slurry are deposited. The sheet is then molded, and then the water-repellent polymer material (PTFE or the like) is impregnated inside the sheet, and then the sheet is heated and held, so that the pulp contained in the sheet disappears and pulp is removed. In recent years, a method for forming a porous carbon sheet by using traces as pores has been proposed. Since the carbon sheet is bonded to the carbon fiber by a polymer material (PTFE or the like) having water repellency, the carbon sheet has flexibility in bonding the carbon fiber. Therefore, this carbon sheet has the advantage of having the flexibility to be wound up in a roll shape, and therefore has a roll transportability and is excellent in productivity.
JP 2000-136493 A

上記したカーボンシートによれば、カーボン繊維の結合に柔軟性があり、カーボンシートをロール状に巻き取れる柔軟性を有する反面、カーボンシートをガス拡散層としてセパレータと共に燃料電池として組み込んだとき、カーボンシートで形成されたガス拡散層の内部に存在する細孔が圧潰されることがある。   According to the above-described carbon sheet, the carbon fiber is flexible and can be wound into a roll. On the other hand, when the carbon sheet is incorporated as a gas diffusion layer together with the separator as a fuel cell, the carbon sheet In some cases, the pores present in the gas diffusion layer formed by crushing are crushed.

更に説明を加える。図7は、このカーボンシートをガス拡散層として使用する形態を模擬的に示す。図7に示すように、燃料電池として組みこんだとき、上記したカーボンシートからなるガス拡散層100Xをセパレータ200Xにより圧力を加えて挟む。このため、セパレータ200Xのガス流路210Xを形成する凸部220Xにより、ガス拡散層100Xは加圧される。故に、ガス拡散層100Xのうち、セパレータ200Xの凸部220Xに対面する領域110Xにおいて、内部の細孔111Xが潰れる頻度が高くなるおそれがある。   Further explanation will be added. FIG. 7 schematically shows a form in which this carbon sheet is used as a gas diffusion layer. As shown in FIG. 7, when assembled as a fuel cell, the gas diffusion layer 100X made of the above-described carbon sheet is sandwiched by applying pressure to the separator 200X. For this reason, gas diffusion layer 100X is pressurized by convex part 220X which forms gas channel 210X of separator 200X. Therefore, in the gas diffusion layer 100X, in the region 110X facing the convex portion 220X of the separator 200X, the frequency with which the internal pores 111X are crushed may increase.

ここで、ガス拡散層100Xの内部に形成されている細孔111Xは、燃料ガスまたは酸化剤ガスといった反応ガスを供給する機能と、発電反応により発生した水を排出させる機能とを有する。このため細孔111Xが潰れる頻度が高いと、上記した機能が低下し、燃料電池の目標とする発電性能が得られにくいという不具合がある。   Here, the pores 111X formed in the gas diffusion layer 100X have a function of supplying a reaction gas such as a fuel gas or an oxidant gas and a function of discharging water generated by the power generation reaction. For this reason, when the frequency with which the pores 111X are crushed is high, there is a problem that the above-described function is lowered and it is difficult to obtain the target power generation performance of the fuel cell.

更に、上記したカーボンシートで形成されたガス拡散層100Xは前述したように厚み方向に柔軟性があるため、セパレータ200Xによりガス拡散層100Xが挟圧されると、図7に模擬的に示すように、ガス拡散層100Xの一部102Xがセパレータ200Xのガス流路210X内に膨出し、セパレータ200Xのガス流路210Xの流路断面積を目標流路断面積よりも過剰に小さくするおそれがある。この場合、セパレータ200Xのガス流路210Xを介してのガス供給性が充分でなくなるおそれがある。   Furthermore, since the gas diffusion layer 100X formed of the above-described carbon sheet is flexible in the thickness direction as described above, when the gas diffusion layer 100X is sandwiched between the separators 200X, as schematically shown in FIG. In addition, a part 102X of the gas diffusion layer 100X may swell into the gas flow path 210X of the separator 200X, and the flow path cross-sectional area of the gas flow path 210X of the separator 200X may be excessively smaller than the target flow path cross-sectional area. . In this case, there is a possibility that the gas supply capability through the gas flow path 210X of the separator 200X is not sufficient.

本発明は上記した実情に鑑みてなされたものであり、ガス拡散層の細孔が過剰に潰れたり、セパレータのガス流路の流路断面積が過剰に小さくなることを抑制するのに有利な固体高分子電解質型燃料電池のガス拡散層の製造方法を提供することを課題とする。   The present invention has been made in view of the above-described circumstances, and is advantageous in suppressing the pores of the gas diffusion layer from being excessively crushed and the cross-sectional area of the gas flow path of the separator from becoming excessively small. It is an object of the present invention to provide a method for producing a gas diffusion layer of a solid polymer electrolyte fuel cell.

本発明に係る固体高分子電解質型燃料電池のガス拡散層の製造方法は、導電性を有する導電物質と消失可能な消失物質とを主要成分とする液状物を用意する工程と、液状物から固形分を分離して堆積させることにより、導電物質および消失物質を主要成分とするシートを形成するシート形成工程と、シートに含まれている消失物質を消失させてシートの内部に細孔を形成してガス拡散性を有するガス拡散層を形成する細孔形成工程とを順に実施する固体高分子電解質型燃料電池のガス拡散層の製造方法において、液状物は固形状の樹脂を含み、液状物に含まれている樹脂をガス拡散層に担持させることを特徴とするものである。   A method for producing a gas diffusion layer of a solid polymer electrolyte fuel cell according to the present invention includes a step of preparing a liquid material mainly composed of a conductive material having conductivity and a disappearable material that can be lost, and a solid from the liquid material. By separating the components and depositing them, a sheet forming process for forming a sheet mainly composed of a conductive substance and a disappearing substance and a disappearing substance contained in the sheet are eliminated to form pores inside the sheet. In the method for producing a gas diffusion layer of a solid polymer electrolyte fuel cell, which sequentially performs a pore forming step for forming a gas diffusion layer having gas diffusivity, the liquid material contains a solid resin, The resin contained in the gas diffusion layer is supported.

液状物に含まれている固形状の樹脂はガス拡散層に担持される。このようなガス拡散層は適度な柔軟性を有しつつも、適度に硬くなる。ガス拡散層がセパレータで挟圧されるとき、ガス拡散層の細孔が潰れにくくなる。   The solid resin contained in the liquid material is carried on the gas diffusion layer. Such a gas diffusion layer is moderately hard while having appropriate flexibility. When the gas diffusion layer is sandwiched between separators, the pores of the gas diffusion layer are not easily crushed.

本発明方法によれば、液状物に含まれている固形状の樹脂は、シート、つまりガス拡散層に担持される。樹脂を担持したガス拡散層は、樹脂を担持しない場合に比較すると、適度に硬くなる。このためガス拡散層をセパレータで挟圧するときであっても、ガス拡散層の内部に形成されている細孔が過剰に潰れることを抑制することができる。更に、ガス拡散層をセパレータで挟圧するときであっても、セパレータの形成されているガス流路の流路にガス拡散層の一部が膨出することを抑制することができる。ひいてはガス流路が過剰に小さくなることを抑制することができる。   According to the method of the present invention, the solid resin contained in the liquid material is supported on the sheet, that is, the gas diffusion layer. The gas diffusion layer carrying the resin is moderately harder than when no resin is carried. For this reason, even when the gas diffusion layer is sandwiched between separators, it is possible to prevent the pores formed inside the gas diffusion layer from being crushed excessively. Furthermore, even when the gas diffusion layer is sandwiched between the separators, it is possible to prevent a part of the gas diffusion layer from bulging into the flow path of the gas flow path where the separator is formed. As a result, it can suppress that a gas flow path becomes small too much.

ところで、液状の樹脂をシートに含浸させた後に硬化させる方法も考えられる。しかしこの方法では、含浸されて硬化した樹脂がシートの内部の細孔を塞ぎ、細孔容積を減少させる頻度が高くなる不具合が生じるおそれがある。シートの細孔は前述したようにガス流路、水排出路として機能することができるため、シートの細孔を減少させることは好ましくない。更に、液状樹脂を含浸させた後に硬化させる方法では、カーボン繊維の表面を液状の樹脂が被覆した状態で硬化するおそれがある。この場合、カーボン繊維の導電性を損なう不具合が生じる。この点本願発明方法のように出発原料としての液状物に固形状の樹脂を含有させておけば、細孔を形成する前のシートに固形状の樹脂が担持されるため、上記した不具合が抑制される。   By the way, a method of curing after impregnating a liquid resin into a sheet is also conceivable. However, in this method, the impregnated and cured resin closes the pores inside the sheet, which may cause a problem that the frequency of reducing the pore volume increases. Since the pores of the sheet can function as a gas flow path and a water discharge path as described above, it is not preferable to reduce the pores of the sheet. Furthermore, in the method of curing after impregnating the liquid resin, there is a possibility that the surface of the carbon fiber is cured in a state where the liquid resin is coated. In this case, the malfunction which impairs the electroconductivity of carbon fiber arises. In this respect, if the solid resin is included in the liquid material as the starting material as in the method of the present invention, the solid resin is supported on the sheet before the pores are formed, so the above-described problems are suppressed. Is done.

本発明方法によれば、導電性を有する導電物質と消失可能な消失物質とを主要成分とする液状物を用意する工程と、液状物から固形分を分離することにより、導電物質および消失物質を主要成分とするシートを固形分の堆積により形成するシート形成工程と、シートに含まれている消失物質を消失させてシート内部に細孔を形成する細孔形成工程とを順に実施する。   According to the method of the present invention, a step of preparing a liquid material mainly composed of a conductive material having conductivity and a disappearable disappearing material, and separating the solid content from the liquid material, the conductive material and the disappearing material are separated. A sheet forming step of forming a sheet as a main component by depositing solid content and a pore forming step of forming pores inside the sheet by eliminating the disappearing substance contained in the sheet are sequentially performed.

更に、シート形成工程と細孔形成工程との間に、撥水材をシートに含浸させることが好ましい。撥水材はガス通路が水で塞がれることを抑制する機能を有する。撥水材としては4フッ化エチレン(PTFE)、4フッ化エチレン・エチレン共重合体(ETFE)、4フッ化エチレン・パーフルオロアルコキシエチレン共重合体(PFA)等のフッ素樹脂が例示される。   Furthermore, it is preferable to impregnate the sheet with a water repellent material between the sheet forming step and the pore forming step. The water repellent material has a function of suppressing the gas passage from being clogged with water. Examples of the water repellent material include fluororesins such as tetrafluoroethylene (PTFE), tetrafluoroethylene / ethylene copolymer (ETFE), and tetrafluoroethylene / perfluoroalkoxyethylene copolymer (PFA).

出発原料としての液状物に含有される導電性を有する導電物質としては、繊維状でも粒子状でも良い。導電物質としては、耐食性、導電性等を考慮すると、一般的には炭素系を用いることができる。炭素系としてはカーボン繊維、カーボン粒子等を例示することができる。カーボン繊維等の導電繊維としては、径が2〜50μm、殊に7〜18μm、長さが1〜50mm、殊に3〜24mmのものを例示できるが、これらに限定されるものではない。   The conductive material having conductivity contained in the liquid material as the starting material may be fibrous or particulate. As the conductive material, carbon-based materials can be generally used in consideration of corrosion resistance, conductivity, and the like. Examples of carbon-based materials include carbon fibers and carbon particles. Examples of the conductive fiber such as carbon fiber include those having a diameter of 2 to 50 μm, particularly 7 to 18 μm, and a length of 1 to 50 mm, particularly 3 to 24 mm, but are not limited thereto.

液状物に含有される消失可能な消失物質としては、加熱により焼失して細孔を形成する有機物質を採用できる。このような有機物質としてはパルプ等の植物系有機物質が例示される。パルプは抄紙の際にカーボン繊維等の導電物質を捕獲するのに有利である。パルプは上記した捕獲性及び吸水性を有する。出発原料としての液状物は固形状の樹脂を含む。液状物に含まれている固形状の樹脂は、カーボン繊維等の導電物質と共にシートに担持される。液状物に含まれている樹脂としては、主鎖が炭素−炭素結合を有するもの、主鎖が炭素と非炭素元素との結合を有するもの、主鎖が炭素とベンゼン環との結合を有するもの等を例示できる。一般的には、熱硬化性樹脂、熱可塑性樹脂を採用することができる。   As the erasable substance contained in the liquid material, an organic substance that burns down by heating to form pores can be employed. Examples of such organic substances include plant organic substances such as pulp. Pulp is advantageous for capturing conductive materials such as carbon fibers during papermaking. The pulp has the above-described capturing ability and water absorption. The liquid as the starting material contains a solid resin. The solid resin contained in the liquid material is carried on the sheet together with a conductive material such as carbon fiber. Resins contained in liquid materials include those whose main chain has a carbon-carbon bond, those whose main chain has a bond between carbon and a non-carbon element, those whose main chain has a bond between carbon and a benzene ring Etc. can be illustrated. In general, a thermosetting resin or a thermoplastic resin can be employed.

出発原料としての液状物に含有される熱硬化性樹脂としては、熱硬化前の状態または熱硬化後の状態とすることができる。焼成等の加熱処理が後工程としてシートに施されるときには、硬化反応が終了していない未硬化の熱硬化性樹脂を液状物に配合しておき、熱硬化性樹脂をシートに担持させ、その後、後工程である加熱処理により熱硬化性樹脂をシート内で硬化させる方法を採用することができる。シートに担持されたパルプ等の消失物質を燃焼により消失させる加熱処理が施されるときには、この加熱処理と同時に熱硬化性樹脂を熱硬化させることができる。この場合、熱硬化性樹脂を熱硬化させる工程を特に設けずとも良い。但し、シート厚み、シート内の気孔率、シートの表面状態をより制御したい場合には、加熱処理の前に熱プレス処理を行っても良い。熱硬化性樹脂としてフェノール樹脂を用いるときには、温度160〜200℃、プレス圧力2〜10MPa、プレス時間1〜10分間の熱プレス処理を例示できる。   The thermosetting resin contained in the liquid material as the starting material can be in a state before thermosetting or a state after thermosetting. When a heat treatment such as firing is applied to the sheet as a post-process, an uncured thermosetting resin that has not been cured is mixed in a liquid material, and the thermosetting resin is supported on the sheet, and then A method of curing the thermosetting resin in the sheet by a heat treatment as a post process can be employed. When a heat treatment for eliminating the disappearance substance such as pulp carried on the sheet by combustion is performed, the thermosetting resin can be thermoset simultaneously with the heat treatment. In this case, it is not necessary to provide a process for thermosetting the thermosetting resin. However, when it is desired to further control the sheet thickness, the porosity in the sheet, and the surface state of the sheet, a hot press treatment may be performed before the heat treatment. When a phenol resin is used as the thermosetting resin, a hot press treatment at a temperature of 160 to 200 ° C., a press pressure of 2 to 10 MPa, and a press time of 1 to 10 minutes can be exemplified.

なお、後工程で加熱処理が施されないときには、熱硬化後の熱硬化性樹脂を液状物に含有させることができる。熱硬化性樹脂としてはフェノール樹脂、エポキシ樹脂、ジアリルフタレート樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、フラン樹脂、ユリア樹脂、アルキド樹脂、メラミン樹脂、シリコーン樹脂などを採用することができる。熱可塑性樹脂であれば、焼成等の加熱処理を考慮すると、耐熱温度が比較的高いものを採用することができる。熱可塑性材料としては、ポリフェニレンサルファイド(PPS),ポリエーテルサルフォン(PES),ポリエーテルエーテルケトン(PEEK)樹脂材料等も使用可能である。後工程で加熱処理されないとき、あるいは、加熱処理されたとしても加熱温度が低いときには、一般的な熱可塑性樹脂を採用することができる。   In addition, when heat processing are not performed at a post process, the thermosetting resin after thermosetting can be contained in a liquid substance. As the thermosetting resin, phenol resin, epoxy resin, diallyl phthalate resin, unsaturated polyester resin, furan resin, urea resin, alkyd resin, melamine resin, silicone resin, or the like can be used. If it is a thermoplastic resin, when heat processing, such as baking, is considered, a thing with comparatively high heat-resistant temperature is employable. As the thermoplastic material, polyphenylene sulfide (PPS), polyether sulfone (PES), polyether ether ketone (PEEK) resin material, and the like can be used. When heat treatment is not performed in a subsequent process, or when the heat temperature is low even if heat treatment is performed, a general thermoplastic resin can be employed.

上記した液状物に含有されている樹脂(熱硬化性樹脂、熱可塑性樹脂)としては、粉末粒子状である形態を採用することができる。粒径としては適宜選択できるが、2〜20μm、10〜50μm、20〜100μmとすることができる。粒径が過小であれば、ガス拡散層の硬度調整には限界がある。粒径が過剰であれば、ガス拡散層に表面凹凸を形成するおそれがある。   As the resin (thermosetting resin, thermoplastic resin) contained in the liquid material described above, a form in the form of powder particles can be adopted. Although it can select suitably as a particle size, it can be set to 2-20 micrometers, 10-50 micrometers, and 20-100 micrometers. If the particle size is too small, there is a limit in adjusting the hardness of the gas diffusion layer. If the particle size is excessive, surface irregularities may be formed in the gas diffusion layer.

樹脂が粉末粒子状であれば、カーボン繊維等の導電物質を樹脂で覆うことが抑制され、ひいては導電物質の導電性を低下させることが抑制される。なお、液状の樹脂をシートに含浸させるときには、カーボン繊維等の導電物質を覆う面積が増加し、カーボン繊維等の導電物質の導電性を低下させるおそれがある。   If the resin is in the form of powder particles, the conductive material such as carbon fiber is prevented from being covered with the resin, and thus the conductivity of the conductive material is suppressed from being lowered. When the sheet is impregnated with a liquid resin, the area covering the conductive material such as carbon fiber increases, and the conductivity of the conductive material such as carbon fiber may be reduced.

本発明方法によれば、細孔形成工程は、シートを加熱保持することによりシートの消失物質を燃焼により消失させて細孔を形成する工程であり、併せて、シートの熱硬化性樹脂を熱硬化させる形態を採用することができる。この場合、熱硬化性樹脂を熱硬化させる工程をあえて新設せずとも良い。   According to the method of the present invention, the pore forming step is a step of forming the pores by disappearing the disappearing substance of the sheet by burning by holding the sheet by heating, and in addition, the thermosetting resin of the sheet is heated. A form to be cured can be employed. In this case, it is not necessary to newly provide a step of thermosetting the thermosetting resin.

以下、本発明の実施例について図1〜図6を参照しつつ具体的に説明する。   Embodiments of the present invention will be specifically described below with reference to FIGS.

(実施例)
カーボン繊維(導電物質)の短繊維〈代表的な大きさとしては、径13μm、長さ3ミリメートル)と、パルプ(消失物質)と、熱硬化性樹脂として固形の粉末状のフェノール樹脂(カネボウ株式会社 ベルパールS890)とを、所定の比率で容器内の水に混合し、水中で叩解することにより、カーボン繊維とパルプと粉末状のフェノール樹脂とを均一に分散させた抄紙用スラリー10(液状物)を作製した。フェノール樹脂は硬化反応が済んでいない未硬化のものであり、平均粒子径が20〜30μm、形状は球状とした。所定の比率としては、重量比で、カーボン繊維:パルプ:フェノール樹脂=6:2:2とした。
(Example)
Carbon fiber (conductive material) short fiber (typically 13μm in diameter and 3mm in length), pulp (disappearing material), and solid powdery phenol resin (Kanebo Co., Ltd.) as thermosetting resin Company Bell Pearl S890) is mixed with water in the container at a predetermined ratio and beaten in water to uniformly disperse carbon fiber, pulp and powdered phenol resin (liquid material 10) ) Was produced. The phenol resin is an uncured resin that has not undergone a curing reaction, and has an average particle diameter of 20 to 30 μm and a spherical shape. The predetermined ratio was carbon fiber: pulp: phenol resin = 6: 2: 2 by weight.

その抄紙用スラリー10を網状部材により抄紙処理した。即ち、抄紙用スラリーに含まれている固形分と液分とを網状部材により分離し、厚さ約0.3ミリメートルの薄状シート20を製造した(図4参照)。従って、薄状シート20は、カーボン繊維とパルプと熱硬化性樹脂として固形の粉末粒子状のフェノール樹脂とを主要成分とする。抄紙処理の際に、抄紙用スラリー10にパルプが含有されていないときには、カーボン繊維及び固形の粉末状のフェノール樹脂の捕獲は困難となる。抄紙用スラリー10にパルプが含有されているため、カーボン繊維及び固形の粉末状のフェノール樹脂が薄状シート20に担持される。従ってパルプは捕獲促進物質として機能することができる。   The papermaking slurry 10 was subjected to papermaking using a mesh member. That is, the solid content and the liquid content contained in the papermaking slurry were separated by a mesh member to produce a thin sheet 20 having a thickness of about 0.3 mm (see FIG. 4). Therefore, the thin sheet 20 contains carbon fiber, pulp, and a solid powder particulate phenol resin as a thermosetting resin as main components. When pulp is not contained in the papermaking slurry 10 during the papermaking process, it is difficult to capture the carbon fibers and the solid powdery phenol resin. Since pulp is contained in the papermaking slurry 10, carbon fibers and solid powdery phenol resin are supported on the thin sheet 20. Thus, the pulp can function as a capture promoter.

図3は、抄紙で形成した薄状シート20をロール搬送している途中状態を示す。このように薄状シート20は、製造工程では、複数のロール500間を曲成されつつ搬送される。このとき、薄状シート20に担持されているフェノール樹脂は硬化反応が終了していないため、薄状シート20は硬化反応後よりも柔軟性に富む。このため薄状シート20をロール500間で曲走させて容易にロール搬送することができる。   FIG. 3 shows a state where the thin sheet 20 formed by papermaking is being conveyed in a roll. As described above, the thin sheet 20 is conveyed while being bent between the plurality of rolls 500 in the manufacturing process. At this time, since the phenol resin carried on the thin sheet 20 has not finished the curing reaction, the thin sheet 20 is more flexible than after the curing reaction. Therefore, the thin sheet 20 can be easily rolled and conveyed between the rolls 500.

本実施例では、導電物質であるカーボンブラック(バルカンXC−72)と撥水材(PTFE分散液 ダイキン工業 D−1)とを重量比で2:1で混合分散して形成したペーストを用いた。このペーストを上記薄状シート20にこれの表面から内部にロールコートにより含浸させた(図4参照)。その後、ペーストを含浸させた薄状シート20を乾燥させた後、所定の温度(380℃)にて加熱保持し、焼成した。焼成により、薄状シート20の内部に含まれているパルプを焼失(消失)させて、パルプの跡を細孔22とした(図5参照)。パルプは繊維状であるため、パルプ跡である細孔22は基本的にはパルプの担持形態に対応する形状となり、ガス透過性が良好な連続孔になると推察される。また焼成により、粉末粒子状のフェノール樹脂が薄状シート20内で熱硬化する。熱硬化したフェノール樹脂は、薄状シートに担持されている20撥水材(PTFE)よりも硬いものである。   In this example, a paste formed by mixing and dispersing the conductive material carbon black (Vulcan XC-72) and water repellent material (PTFE dispersion Daikin Industries D-1) at a weight ratio of 2: 1 was used. . This paste was impregnated into the thin sheet 20 from the surface to the inside by roll coating (see FIG. 4). Thereafter, the thin sheet 20 impregnated with the paste was dried, heated and held at a predetermined temperature (380 ° C.), and fired. The pulp contained in the thin sheet 20 was burned (disappeared) by firing, and the traces of the pulp were made into pores 22 (see FIG. 5). Since the pulp is fibrous, it is assumed that the pores 22 which are pulp marks basically have a shape corresponding to the carrying form of the pulp and become continuous pores with good gas permeability. Further, the powdered phenol resin is thermally cured in the thin sheet 20 by firing. The thermoset phenolic resin is harder than 20 water repellent material (PTFE) carried on a thin sheet.

その後、薄状シート20をホットプレスにより厚み方向に加圧した。これにより厚みが面内で均一になるように調整し、実施例に係る多孔質性をもつガス拡散層100を形成した。このガス拡散層100は、基本的には、導電物質であるカーボン繊維、導電物質であるカーボンブラック、撥水材(PTFE)、熱硬化したフェノール樹脂を主要成分とする。   Thereafter, the thin sheet 20 was pressed in the thickness direction by hot pressing. Thus, the thickness was adjusted to be uniform in the plane, and the porous gas diffusion layer 100 according to the example was formed. The gas diffusion layer 100 basically includes carbon fibers as a conductive material, carbon black as a conductive material, a water repellent material (PTFE), and a thermosetting phenol resin as main components.

以上説明したように本実施例によれば、出発原料としての抄紙用スラリー10(液状物)にはカーボン繊維及びパルプの他に、固形の粉末粒子状のフェノール樹脂が含有されている。従って、ガス拡散層100となる薄状シート20に、固形の粉末粒子状のフェノール樹脂を担持させることができる。故に、液状樹脂をシートの内部に含浸させる方式を採用せずとも良い。従って、導電性を有するカーボン繊維を樹脂が広い面積で覆うことが抑制され、ガス拡散層100の導電性を確保するためのカーボン繊維の導電性が良好に維持される。   As described above, according to the present embodiment, the papermaking slurry 10 (liquid material) as a starting material contains a solid powder particulate phenol resin in addition to carbon fibers and pulp. Therefore, the thin sheet 20 to be the gas diffusion layer 100 can carry a solid powder particle-form phenolic resin. Therefore, it is not necessary to employ a method of impregnating the inside of the sheet with a liquid resin. Therefore, it is suppressed that resin covers the carbon fiber which has electroconductivity with a large area, and the electroconductivity of the carbon fiber for ensuring the electroconductivity of the gas diffusion layer 100 is maintained favorable.

更に、当該フェノール樹脂を担持するカーボンシートでガス拡散層100が形成されているため、ガス拡散層100の必要以上の柔軟性を低下させ、ガス拡散層100を適度な硬さとさせることができる。   Furthermore, since the gas diffusion layer 100 is formed of the carbon sheet carrying the phenol resin, the flexibility of the gas diffusion layer 100 can be reduced more than necessary, and the gas diffusion layer 100 can be made to have an appropriate hardness.

図1は、セパレータ200とともにガス拡散層100を燃料電池に組み込まれている状態を模擬的に示す。図1に示すように、カーボンシートからなるガス拡散層100と電解質膜400との間には触媒層410,420が配置されている。触媒層410,420は、白金等の触媒物質、カーボンブラックなどの電子伝導性物質および電解質物質を含む。図1に示すように、カーボンシートからなるガス拡散層100は、厚み方向の両側からセパレータ200により挟圧されている。この場合、セパレータ200のガス流路210を形成する凸部220が形成されており、凸部220の先端面220aによりガス拡散層100がこれの厚み方向に加圧されている。ここで、カーボンシートからなるガス拡散層100は熱硬化反応が終了した熱硬化性樹脂を含有しており、適度な硬さを備えている。このため、ガス拡散層100のうち、セパレータ200の凸部220に対面する領域101において、内部の細孔22が潰れるおそれが抑制される。   FIG. 1 schematically shows a state in which the gas diffusion layer 100 is incorporated in the fuel cell together with the separator 200. As shown in FIG. 1, catalyst layers 410 and 420 are disposed between the gas diffusion layer 100 made of a carbon sheet and the electrolyte membrane 400. The catalyst layers 410 and 420 include a catalyst material such as platinum, an electron conductive material such as carbon black, and an electrolyte material. As shown in FIG. 1, the gas diffusion layer 100 made of a carbon sheet is sandwiched between separators 200 from both sides in the thickness direction. In this case, the convex part 220 which forms the gas flow path 210 of the separator 200 is formed, and the gas diffusion layer 100 is pressurized by the front end surface 220a of the convex part 220 in the thickness direction. Here, the gas diffusion layer 100 made of a carbon sheet contains a thermosetting resin that has been subjected to a thermosetting reaction, and has an appropriate hardness. For this reason, in the gas diffusion layer 100, in the region 101 facing the convex portion 220 of the separator 200, the possibility that the internal pores 22 are crushed is suppressed.

ここで、ガス拡散層100の内部に形成されている細孔22は、燃料ガスや酸化剤ガス等の反応ガスを通過させるガス透過機能と、発電反応により発生した水を排出させる水排出機能とを有する。本実施例では、細孔22の過剰潰れが抑制されるため、上記したガス透過機能及び水排出機能の双方が良好に確保され、燃料電池の発電性能が向上する。   Here, the pores 22 formed in the gas diffusion layer 100 have a gas permeation function for allowing a reaction gas such as a fuel gas or an oxidant gas to pass therethrough, and a water discharge function for discharging water generated by the power generation reaction. Have In the present embodiment, since excessive crushing of the pores 22 is suppressed, both the above-described gas permeation function and water discharge function are ensured well, and the power generation performance of the fuel cell is improved.

更に、カーボンシートで形成されたガス拡散層100は熱硬化性樹脂により厚み方向に適度な硬さとされているため、セパレータ200によりガス拡散層100が厚み方向に挟圧されるときであっても、図7に示す従来形態と異なり、ガス拡散層100の一部がセパレータ200のガス流路210内に膨出することが抑制される。故に、セパレータ200のガス流路210の流路断面積を確保するのに有利となる。従って、セパレータ200のガス流路210を介してのガス供給性が良好に確保される。   Furthermore, since the gas diffusion layer 100 formed of the carbon sheet is appropriately hardened in the thickness direction by the thermosetting resin, even when the gas diffusion layer 100 is sandwiched in the thickness direction by the separator 200, Unlike the conventional embodiment shown in FIG. 7, the gas diffusion layer 100 is suppressed from bulging into the gas flow path 210 of the separator 200. Therefore, it is advantageous to ensure the cross-sectional area of the gas flow path 210 of the separator 200. Accordingly, good gas supply performance through the gas flow path 210 of the separator 200 is ensured.

更に本実施例によれば、薄状シート20に含まれているパルプを消失させて細孔22を形成する加熱処理(焼成)を行うと同時に、硬化前の熱硬化性樹脂の粒子を熱硬化させることができる。このため工程数の増加もなく、コスト低廉化に有利である。加えて本実施例によれば、パルプを消失させて細孔22を形成する加熱処理(焼成)を行うと同時に、硬化前の熱硬化性樹脂の粒子を熱硬化させるため、加熱処理(焼成)を実施するまでは熱硬化性樹脂は硬化反応が終了していない。故に、加熱処理(焼成)を実施する前の薄状シート20は良好な柔軟性を有している。よって、従来の抄紙法の利点であるロール搬送性が確保され、生産性が確保される。   Further, according to this example, the heat treatment (baking) for forming the pores 22 by eliminating the pulp contained in the thin sheet 20 is performed, and at the same time, the thermosetting resin particles before curing are thermally cured. Can be made. Therefore, there is no increase in the number of processes, which is advantageous for cost reduction. In addition, according to the present embodiment, the heat treatment (firing) for eliminating the pulp and forming the pores 22 is performed, and at the same time, the thermosetting resin particles before curing are thermally cured, so that the heat treatment (firing) is performed. The thermosetting resin has not completed the curing reaction until the process is carried out. Therefore, the thin sheet 20 before carrying out heat treatment (firing) has good flexibility. Therefore, roll transportability, which is an advantage of the conventional papermaking method, is secured, and productivity is secured.

(比較例)
比較例は基本的には実施例と同様に製造した。但し、比較例に係る抄紙用スラリーはフェノール樹脂の粉末粒子を含有していない。比較例では、まず、カーボン繊維であるカーボンファイバーの短繊維(代表的な大きさは径13μm、長さ3ミリメートル)とパルプとを所定の比率(6:4)で混合し、水中で叩解することによりカーボン繊維とパルプとを均一に分散させた抄紙用スラリーを作製した。その抄紙用スラリーを網状部材に抄紙処理し、抄紙用スラリーに含まれる液分と固形分とを分離し、上記実施例と同様に、厚さ約0.3ミリメートルの薄状シートを製造した。そしてカーボンブラック(バルカンXC−72)と撥水材(PTFE分散液ダイキン工業 D−1)とを重量比で2:1で混合分散したペーストを用い、このペーストを上記薄状シートにこれの表面からロールコートにより含浸し、乾燥後380℃にて焼成し、薄状シートに含まれているパルプを焼失(消失)させた。その後、シートをホットプレスし、厚みが面内で均一になるように調整し、比較例に係るカーボンシートを得た。
(Comparative example)
The comparative example was basically manufactured in the same manner as the example. However, the papermaking slurry according to the comparative example does not contain phenol resin powder particles. In the comparative example, first, carbon fiber short fibers (typically 13 μm in diameter and 3 mm in length) and pulp are mixed at a predetermined ratio (6: 4) and beaten in water. Thus, a papermaking slurry in which carbon fibers and pulp were uniformly dispersed was prepared. The papermaking slurry was processed into a net-like member, and the liquid content and solid content contained in the papermaking slurry were separated to produce a thin sheet having a thickness of about 0.3 mm as in the above example. Then, a paste in which carbon black (Vulcan XC-72) and water repellent material (PTFE dispersion Daikin Industries D-1) were mixed and dispersed at a weight ratio of 2: 1 was used, and this paste was applied to the thin sheet on the surface thereof. Then, it was impregnated with a roll coat, dried and fired at 380 ° C. to burn (disappear) the pulp contained in the thin sheet. Thereafter, the sheet was hot-pressed to adjust the thickness to be uniform in the plane, and a carbon sheet according to a comparative example was obtained.

(発電性能)
上記した様な方法で得られたガス拡散層を電極として実施例及び比較例の燃料電池について、基本的に同一の条件で発電性能を評価した。燃料電池の発電性能の評価のために、12cm×12cmの電極サイズを有する膜電極接合体を作製した。そして膜電極接合体を2個のセパレータで厚み方向に挟んで組み付けた(図1参照)。セパレータはカーボン焼成品を用いた。セパレータのガス流路はストレート状である。得られたI−V特性を図6に示す。図6の横軸は電流密度(相対表示)、図6の縦軸は電圧(相対表示)を示す。図6に示すように実施例は比較例に比べて発電性能が良好であった。
(Power generation performance)
Using the gas diffusion layer obtained by the above method as an electrode, the power generation performance of the fuel cells of Examples and Comparative Examples was evaluated under basically the same conditions. In order to evaluate the power generation performance of the fuel cell, a membrane electrode assembly having an electrode size of 12 cm × 12 cm was produced. Then, the membrane electrode assembly was assembled with two separators sandwiched in the thickness direction (see FIG. 1). A carbon fired product was used as the separator. The gas flow path of the separator is straight. The obtained IV characteristics are shown in FIG. The horizontal axis in FIG. 6 represents current density (relative display), and the vertical axis in FIG. 6 represents voltage (relative display). As shown in FIG. 6, the power generation performance of the example was better than that of the comparative example.

(その他)
温度,処理時間,プレス圧力等の熱処理条件を検討すれば、熱可塑性材料であるポリフェニレンサルファイド(PPS),ポリエーテルサルフォン(PES),ポリエーテルエーテルケトン(PEEK)といった樹脂材料等も使用可能である。
(Other)
If heat treatment conditions such as temperature, treatment time, and press pressure are studied, resin materials such as thermoplastic materials such as polyphenylene sulfide (PPS), polyether sulfone (PES), and polyether ether ketone (PEEK) can be used. is there.

(その他)
上記した実施例では、出発原料としての抄紙用スラリー10に含有されているフェノール樹脂は硬化反応が済んでいない未硬化のものであるが、場合によっては、半硬化状態のものとしても良い。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。
(Other)
In the above-described embodiments, the phenol resin contained in the papermaking slurry 10 as a starting material is an uncured resin that has not undergone a curing reaction, but may be in a semi-cured state depending on the case. 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.

本発明は固体高分子電解質型燃料電池のガス拡散層の製造方法に利用することができる。   The present invention can be used in a method for producing a gas diffusion layer of a solid polymer electrolyte fuel cell.

実施例に係るガス拡散層を組みこんだ燃料電池を模式的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows typically the fuel cell incorporating the gas diffusion layer which concerns on an Example. カーボン繊維、パルプ、固形の粉末状のフェノール樹脂とを配合して抄紙用スラリーを形成している過程を模式的に示す構成図である。It is a block diagram which shows typically the process in which carbon fiber, pulp, and a solid powdery phenol resin are blended to form a papermaking slurry. 薄状シートをロール搬送している状態を示す構成図である。It is a block diagram which shows the state which is carrying out the roll conveyance of the thin sheet. カーボンブラックおよび撥水材を含むペーストを薄状シートに表面から含浸させている形態を模式的に示す構成図である。It is a block diagram which shows typically the form which impregnates the thin sheet | seat from the surface with the paste containing carbon black and a water repellent material. 細孔を有するカーボンシートで形成されたガス拡散層を示す構成図である。It is a block diagram which shows the gas diffusion layer formed with the carbon sheet which has a pore. 実施例に係るガス拡散層を組み込んだ燃料電池と、比較例に係るガス拡散層を組み込んだ燃料電池とを用いて発電試験を行った結果を示すグラフである。It is a graph which shows the result of having performed the electric power generation test using the fuel cell incorporating the gas diffusion layer concerning an example, and the fuel cell incorporating the gas diffusion layer concerning a comparative example. 従来技術に係るガス拡散層を組みこんだ燃料電池を模式的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows typically the fuel cell incorporating the gas diffusion layer which concerns on a prior art.

符号の説明Explanation of symbols

図中、100はガス拡散層、200はセパレータ、210はガス流路、220は凸部、10はスラリー、20は薄状シート、22は細孔を示す。   In the figure, 100 is a gas diffusion layer, 200 is a separator, 210 is a gas flow path, 220 is a convex portion, 10 is a slurry, 20 is a thin sheet, and 22 is a pore.

Claims (5)

導電性を有する導電物質と消失可能な消失物質とを主要成分とする液状物を用意する工程と、
前記液状物から固形分を分離して堆積させることにより、前記導電物質および前記消失物質を主要成分とするシートを形成するシート形成工程と、
前記シートに含まれている消失物質を消失させて前記シートの内部に細孔を形成してガス拡散性を有するガス拡散層を形成する細孔形成工程とを順に実施する固体高分子電解質型燃料電池のガス拡散層の製造方法において、
前記液状物は固形状の樹脂を含み、前記液状物に含まれている樹脂を前記ガス拡散層に担持させることを特徴とする固体高分子電解質型燃料電池のガス拡散層の製造方法。
A step of preparing a liquid material mainly composed of a conductive material having conductivity and a disappearable material that can be lost;
A sheet forming step of forming a sheet containing the conductive material and the disappearing material as main components by separating and depositing solids from the liquid material;
A solid polymer electrolyte fuel that sequentially performs a pore forming step of forming a gas diffusion layer having gas diffusibility by eliminating a disappearing substance contained in the sheet and forming pores inside the sheet In the manufacturing method of the gas diffusion layer of the battery,
The method for producing a gas diffusion layer of a solid polymer electrolyte fuel cell, wherein the liquid material contains a solid resin, and the resin contained in the liquid material is supported on the gas diffusion layer.
請求項1において、前記液状物に含まれている前記樹脂は熱硬化性樹脂であることを特徴とする固体高分子電解質型燃料電池のガス拡散層の製造方法。   2. The method for producing a gas diffusion layer of a solid polymer electrolyte fuel cell according to claim 1, wherein the resin contained in the liquid material is a thermosetting resin. 請求項1または請求項2において、前記液状物に含まれている前記樹脂は粉末粒子状であることを特徴とする固体高分子電解質型燃料電池のガス拡散層の製造方法。   3. The method for producing a gas diffusion layer of a solid polymer electrolyte fuel cell according to claim 1, wherein the resin contained in the liquid material is in the form of powder particles. 請求項1〜請求項3のうちのいずれか一項において、前記シート形成工程と前記細孔形成工程との間に、撥水材をシートに含浸させることを特徴とする固体高分子電解質型燃料電池のガス拡散層の製造方法。   The solid polymer electrolyte fuel according to any one of claims 1 to 3, wherein the sheet is impregnated with a water repellent material between the sheet forming step and the pore forming step. A method for producing a gas diffusion layer of a battery. 請求項1〜請求項4のうちのいずれか一項において、前記細孔形成工程は、前記シートを加熱保持することにより前記シートの前記消失物質を燃焼により消失させて細孔を形成する工程であり、併せて、前記シートの前記熱硬化性樹脂を熱硬化させることを特徴とする固体高分子電解質型燃料電池のガス拡散層の製造方法。   5. The pore forming step according to claim 1, wherein the pore forming step is a step of forming pores by causing the disappearing substance of the sheet to disappear by combustion by heating and holding the sheet. In addition, a method for producing a gas diffusion layer of a solid polymer electrolyte fuel cell, wherein the thermosetting resin of the sheet is thermoset.
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