JP2006120461A - Membrane/electrode assembly for fuel cell and its manufacturing method, gas diffusion layer and its manufacturing method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は燃料電池用の膜・電極接合体及びその製造方法、ガス拡散層及びその製造方法に関する。 The present invention relates to a membrane / electrode assembly for a fuel cell and a method for producing the same, a gas diffusion layer, and a method for producing the same.
従来、固体高分子型燃料電池は、水素ガス等の燃料ガスをアノード側に供給すると共に、空気等の酸化剤ガスをカソード側に供給することにより発電を行う。触媒層の触媒を利用して発電反応が行われる。この発電反応により水が触媒層付近において生成される。発電反応を円滑に行うためには、ガスの供給と水の排出とをスムーズに行う必要がある。そのため従来技術として、ガス拡散電極の内部や表面に、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)のような撥水材を添加する技術が用いられている。しかしながら、その場合の問題点として、撥水材により撥水化されたガス通路を通じて、ガスの供給と水の排出とを行うため、多量のガスを必要とすると共に多量の水が生成され、その生成した水がガス通路を塞ぎ、ガスの供給を妨げる問題が生じる。いわゆるフラッディング現象である。フラッディング現象は特に高電流領域において発生しやすい。フラッディング現象を緩和するためには、ガス拡散電極の内部や表面に多量のPTFEの添加が有効である。しかしながら過剰なPTFEの添加は、ガス拡散層の電気的な抵抗の増加を引き起こす。また、過剰なPTFEの添加は、低電流密度領域での運転でも、水の排出を加速させるため、電解質膜を乾燥させるおそれがあり、電解質膜のプロトン導電率を減少させるおそれがある。 Conventionally, solid polymer fuel cells generate power by supplying a fuel gas such as hydrogen gas to the anode side and an oxidant gas such as air to the cathode side. A power generation reaction is performed using the catalyst in the catalyst layer. By this power generation reaction, water is generated in the vicinity of the catalyst layer. In order to perform a power generation reaction smoothly, it is necessary to smoothly supply gas and discharge water. Therefore, as a conventional technique, a technique of adding a water repellent material such as polytetrafluoroethylene (PTFE) to the inside or the surface of the gas diffusion electrode is used. However, as a problem in that case, since gas is supplied and discharged through the gas passage made water repellent by the water repellent material, a large amount of gas is required and a large amount of water is generated. The generated water blocks the gas passage and causes a problem of hindering the gas supply. This is a so-called flooding phenomenon. The flooding phenomenon is particularly likely to occur in a high current region. In order to alleviate the flooding phenomenon, it is effective to add a large amount of PTFE inside or on the surface of the gas diffusion electrode. However, the addition of excess PTFE causes an increase in the electrical resistance of the gas diffusion layer. Further, excessive addition of PTFE accelerates the discharge of water even in an operation in a low current density region, so that the electrolyte membrane may be dried and the proton conductivity of the electrolyte membrane may be reduced.
このような問題を解決するための従来技術として、次の技術が開示されている。 The following techniques are disclosed as conventional techniques for solving such problems.
1.撥水材の量を、ガス拡散層のうち触媒層と接する側から、ガス配流板と接する側に向かって連続的に変化をさせる技術。特許文献1,2
2.ガス拡散層の一方面から他方面にわたって貫通する複数の貫通孔を形成し、貫通孔によりガスの透過性を高める技術。特許文献3
3.水の排出性を高めるための細孔を形成する造孔材を電極触媒層に含ませており、且つ、水の保水性を高める保水層を触媒層と拡散層との間に設ける技術。特許文献4
2. A technique of forming a plurality of through-holes penetrating from one surface of the gas diffusion layer to the other surface and increasing gas permeability by the through-holes. Patent Document 3
3. A technique in which a pore-forming material for forming pores for enhancing water discharge is included in an electrode catalyst layer, and a water retention layer for enhancing water retention is provided between the catalyst layer and the diffusion layer. Patent Document 4
上記した1.に係る技術によれば、従来から一般的に行われているガス拡散電極の内部や表面に、PTFEのような撥水剤を添加する技術の延長に過ぎない。通常、ガス拡散電極に撥水性を付与する工程は、カーボンペーパーやカーボンクロスといったカーボンシート基材に、撥水剤を含む溶液をデップ含浸やコーティングするといった方法でなされ、撥水剤濃度が連続的に変化しているのが一般的である。また、撥水剤の含浸方法や量によって、撥水剤濃度と細孔サイズが変化し、フラッディング特性の改善効果が見られる場合があるが、上記した1.に係る技術は、生成水がガス通路を封鎖することによるガスの供給妨害といった根本的な問題の解決を与えていない。特に高電流密度領域のように生成水が多量に生成されるときにおいて、ガス通路の封鎖によるガスの供給の妨害といった根本的な問題の解決を与えていない。 As described above. According to this technique, it is merely an extension of a technique of adding a water repellent such as PTFE to the inside or surface of a gas diffusion electrode that has been generally performed. Usually, the step of imparting water repellency to a gas diffusion electrode is performed by a method of dipping or coating a solution containing a water repellent on a carbon sheet substrate such as carbon paper or carbon cloth, and the water repellent concentration is continuous. It is common to change to. Also, depending on the impregnation method and amount of the water repellent, the water repellent concentration and the pore size may change, and an improvement effect on the flooding characteristics may be observed. This technique does not provide a solution to a fundamental problem such as a gas supply hindrance caused by the generated water blocking the gas passage. In particular, when a large amount of generated water is generated as in a high current density region, it does not provide a solution to a fundamental problem such as obstruction of gas supply due to blockage of the gas passage.
上記した2.に係る技術については、ガス拡散層に別途形成された貫通孔によりガスの透過性は向上するが、その反面、ガスが過剰に供給されたり、あるいは、貫通孔を通して電解質膜から水が蒸発され易く、電解質膜の過剰乾燥、電解質膜のプロトン伝導率を減少させるというおそれがある。 2. As described above. With regard to the technology, the gas permeability is improved by the through-hole formed separately in the gas diffusion layer, but on the other hand, the gas is excessively supplied or the water is easily evaporated from the electrolyte membrane through the through-hole. There is a risk of excessive drying of the electrolyte membrane and a decrease in proton conductivity of the electrolyte membrane.
上記した3.に係る技術については、触媒層における水の排出性向上と、電解質膜の保水性向上という効果は期待できるが、触媒層から排出された水は、いずれは拡散層を通して膜・電極接合体外に排出させる必要がある。触媒層とガス拡散層との界面でフラッディング現象が発生するとき、この技術は、フラッディング現象に対する解決方法を十分に与えていない。 3. As described above. With regard to the technology related to the above, the effect of improving the water discharge performance of the catalyst layer and the water retention of the electrolyte membrane can be expected, but the water discharged from the catalyst layer will eventually be discharged out of the membrane / electrode assembly through the diffusion layer. It is necessary to let When the flooding phenomenon occurs at the interface between the catalyst layer and the gas diffusion layer, this technique does not provide a sufficient solution to the flooding phenomenon.
本発明は上記した実情に鑑みてなされたものであり、発電反応で生成された水がガス拡散層のガス通路を塞ぐというフラッディング現象を抑制するのに有利な燃料電池用の膜・電極接合体及びその製造方法、燃料電池用のガス拡散層及びそ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 circumstances, and is a membrane / electrode assembly for a fuel cell that is advantageous for suppressing the flooding phenomenon in which water generated by a power generation reaction blocks the gas passage of the gas diffusion layer. It is another object of the present invention to provide a gas diffusion layer for a fuel cell and a method for manufacturing the same.
(1)本発明者は燃料電池用の膜・電極接合体及びガス拡散層について鋭意開発を進めている。従来のガス拡散層は、図12に示すように、通常、カーボン繊維及びカーボンブラック(CB)のようなカーボン材料を有しており、PTFEにより撥水化されたガス通路を形成しており、その撥水化されたガス通路を通じて、ガスの供給と水の排出との双方を行っている。発電反応により生成した水は、撥水剤の効果により、球状(水滴状)となり、その表面積を小さくするため、ガス拡散電極におけるガスの供給チャンネルが確保される。しかしながら生成される水の量が多くなると、生成された水がガス通路を封鎖し、ガスの供給を阻害する傾向が見られる。特に、高電流密度領域で運転する場合には、必要とするガスと生成する水の量とは、低電流密度で運転する場合に比較して相対的に多くなるので、図13に示すように、生成された水がガス通路を封鎖し、ガスの供給を阻害する。 (1) The inventor has been intensively developing a membrane / electrode assembly and a gas diffusion layer for a fuel cell. As shown in FIG. 12, the conventional gas diffusion layer usually has a carbon material such as carbon fiber and carbon black (CB), and forms a gas passage made water repellent by PTFE, Both gas supply and water discharge are performed through the water-repellent gas passage. The water generated by the power generation reaction becomes spherical (droplet-like) due to the effect of the water repellent, and its surface area is reduced, so that a gas supply channel in the gas diffusion electrode is secured. However, when the amount of generated water increases, the generated water tends to block the gas passage and hinder gas supply. In particular, when operating in a high current density region, the required gas and the amount of water produced are relatively greater than when operating at a low current density, as shown in FIG. The generated water blocks the gas passage and obstructs the gas supply.
そこで、本発明者は、酸化剤用ガス拡散層又は燃料用ガス拡散層について、厚み方向に連通するガス通路及び連通孔を形成し、連通孔のうちの少なくとも酸化剤用触媒層または燃料用触媒層に対向する側とは反対側の孔部分に、吸水性をもつ親水部を設ける構成とすれば、フラッディング現象を抑制するのに有利な燃料電池用の膜・電極接合体を提供できることを知見した。 Therefore, the present inventor forms a gas passage and a communication hole communicating in the thickness direction of the gas diffusion layer for the oxidant or the gas diffusion layer for the fuel, and at least the catalyst layer for the oxidant or the fuel catalyst among the communication holes. Knowledge that a membrane / electrode assembly for a fuel cell can be provided that is advantageous in suppressing flooding if a hydrophilic portion having water absorption is provided in the hole portion on the opposite side to the side facing the layer. did.
また、酸化剤用ガス拡散層及び燃料用ガス拡散層のうちの少なくとも一方を製造するにあたり、ガス通路を有する当該一方となるガス拡散層素材を形成する第1工程と、ガス拡散層素材の厚み方向に連通する連通孔をガス拡散層素材に形成する第2工程と、連通孔のうちの少なくとも酸化剤用触媒層または燃料用触媒層に対向する側とは反対側の孔部分に、吸水性をもつ親水部を設ける第3工程とを順に実施することにすれば、上記した燃料電池用のガス拡散層を提供できることを知見した。 Further, in manufacturing at least one of the oxidant gas diffusion layer and the fuel gas diffusion layer, a first step of forming the gas diffusion layer material having the gas passage and the thickness of the gas diffusion layer material A second step of forming a communication hole communicating in the direction in the gas diffusion layer material, and at least a portion of the communication hole opposite to the side facing the oxidant catalyst layer or the fuel catalyst layer; It has been found that the above-described gas diffusion layer for a fuel cell can be provided by sequentially carrying out the third step of providing a hydrophilic portion having a.
(2)様相1の本発明に係る燃料電池用の膜・電極接合体は、酸化剤用ガス拡散層、酸化剤用触媒層、電解質膜、燃料用触媒層、燃料用ガス拡散層を順に積層して形成された膜・電極接合体において、
酸化剤用ガス拡散層及び燃料用ガス拡散層のうちの少なくとも一方は、
厚み方向に連通するガス通路及び厚み方向に連通する連通孔をもち、
連通孔のうちの少なくとも酸化剤用触媒層または燃料用触媒層に対向する側とは反対側の孔部分に、吸水性をもつ親水部を備えていることを特徴とするものである。
(2) The fuel cell membrane / electrode assembly according to the present invention of aspect 1 is formed by sequentially stacking an oxidant gas diffusion layer, an oxidant catalyst layer, an electrolyte membrane, a fuel catalyst layer, and a fuel gas diffusion layer. In the membrane / electrode assembly formed as
At least one of the gas diffusion layer for oxidant and the gas diffusion layer for fuel is
With a gas passage communicating in the thickness direction and a communication hole communicating in the thickness direction,
Among the communicating holes, at least a hole portion opposite to the side facing the oxidant catalyst layer or the fuel catalyst layer is provided with a hydrophilic portion having water absorption.
(3)様相2の本発明に係る燃料電池用の膜・電極接合体の製造方法は、酸化剤用ガス拡散層、酸化剤用触媒層、電解質膜、燃料用触媒層、燃料用ガス拡散層を順に積層して燃料電池用の膜・電極接合体を製造する製造方法において、
酸化剤用ガス拡散層及び燃料用ガス拡散層のうちの少なくとも一方は、
厚み方向に連通するガス通路を有すると共に当該一方となるガス拡散層素材を準備する第1工程と、
ガス拡散層素材の厚み方向に連通する連通孔をガス拡散層素材に穿孔する第2工程と、
連通孔のうちの少なくとも酸化剤用触媒層または燃料用触媒層に対向する側とは反対側の孔部分に、吸水性をもつ親水部を設ける第3工程とを順に実施することを特徴とするものである。
(3) A method for producing a membrane / electrode assembly for a fuel cell according to the present invention of aspect 2 includes an oxidant gas diffusion layer, an oxidant catalyst layer, an electrolyte membrane, a fuel catalyst layer, and a fuel gas diffusion layer. In a manufacturing method for manufacturing a membrane-electrode assembly for a fuel cell by sequentially laminating
At least one of the gas diffusion layer for oxidant and the gas diffusion layer for fuel is
A first step of preparing a gas diffusion layer material to be one of the gas passages communicating in the thickness direction;
A second step of drilling in the gas diffusion layer material through holes communicating in the thickness direction of the gas diffusion layer material;
And a third step of sequentially providing a hydrophilic portion having water absorption in a hole portion on a side opposite to the side facing the oxidant catalyst layer or the fuel catalyst layer among the communication holes. Is.
(4)様相3の本発明に係るガス拡散層は、厚み方向の一方側が触媒層に対向し、厚み方向の他方側がガス配流板に対向し、且つ、ガス配流板のガスを触媒層に供給するガス透過性を有する燃料電池用のガス拡散層において、
厚み方向に連通するガス通路及び厚み方向に連通する連通孔をもち、連通孔のうちの少なくとも前記触媒層に対向する側とは反対側の孔部分に、吸水性をもつ親水部を備えていることを特徴とするものである。
(4) The gas diffusion layer according to the present invention of aspect 3 has one side in the thickness direction facing the catalyst layer, the other side in the thickness direction facing the gas flow plate, and supplies the gas from the gas flow plate to the catalyst layer In a gas diffusion layer for a fuel cell having gas permeability,
It has a gas passage that communicates in the thickness direction and a communication hole that communicates in the thickness direction, and at least a portion of the communication hole opposite to the side facing the catalyst layer has a hydrophilic portion having water absorption. It is characterized by this.
(5)様相4の本発明に係る燃料電池用のガス拡散層の製造方法は、厚み方向の一方側が触媒層に対向し、厚み方向の他方側がガス配流板に対向し、且つ、前記ガス配流板のガスを前記触媒層に供給するガス透過性を有する燃料電池用のガス拡散層の製造方法において、
酸化剤用ガス拡散層及び燃料用ガス拡散層のうちの少なくとも一方となると共に厚み方向に連通するガス通路を有するガス拡散層素材を準備する第1工程と、
前記ガス拡散層素材の厚み方向に連通する連通孔を穿孔手段により前記ガス拡散層素材に穿孔する第2工程と、
前記連通孔のうちの少なくとも前記触媒層に対向する側とは反対側の部分の内壁面に、吸水性をもつ親水部を設ける第3工程とを順に実施することを特徴とするものである。
(5) In the method for producing a gas diffusion layer for a fuel cell according to the present invention of aspect 4, the one side in the thickness direction faces the catalyst layer, the other side in the thickness direction faces the gas flow plate, and the gas flow layer In the method for producing a gas diffusion layer for a fuel cell having gas permeability for supplying a gas of a plate to the catalyst layer,
A first step of preparing a gas diffusion layer material that has at least one of an oxidant gas diffusion layer and a fuel gas diffusion layer and has a gas passage communicating in the thickness direction;
A second step of perforating the gas diffusion layer material with a communicating hole communicating in the thickness direction of the gas diffusion layer material;
A third step of sequentially providing a hydrophilic portion having water absorption on an inner wall surface of a portion of the communication hole opposite to the side facing the catalyst layer is sequentially performed.
(6)各様相に係る発明によれば、酸化剤用ガス拡散層及び燃料用ガス拡散層のうちの少なくとも一方は、厚み方向に連通するガス通路及び厚み方向に連通する連通孔をもち、連通孔のうちの少なくとも触媒層(酸化剤用触媒層または燃料用触媒層)に対向する側とは反対側の孔部分に、吸水性をもつ親水部を備えている。触媒層付近において発電反応により生成された水は、毛細管現象等により連通孔に進入し、連通孔に設けられている吸水性をもつ親水部に保持される。そしてガス拡散層に形成されている連通孔のうちの触媒層に対向する側とは反対側の表面側にガス(一般的には空気等の酸化剤ガス、水素含有ガス等の燃料ガス)が流れるため、親水部に保持されている水分はガスによりガス下流側に運ばれる。この結果、酸化剤用触媒層または燃料用触媒層付近において発電反応で生成された水の排出性が向上し、フラッディング現象が抑制される。発電反応により生成された水は、毛細管現象等によりガス拡散層のガス通路にも進入し、ガス通路を介してもガス拡散層の外方に排出されると推察される。 (6) According to the invention according to each aspect, at least one of the oxidant gas diffusion layer and the fuel gas diffusion layer has a gas passage communicating in the thickness direction and a communication hole communicating in the thickness direction. A hydrophilic portion having water absorption is provided at least in the hole portion on the opposite side to the side facing the catalyst layer (oxidant catalyst layer or fuel catalyst layer). Water generated by a power generation reaction in the vicinity of the catalyst layer enters the communication hole by capillary action or the like, and is held in a hydrophilic portion having water absorption provided in the communication hole. Gas (generally, an oxidant gas such as air or a fuel gas such as a hydrogen-containing gas) is formed on the surface of the communication hole formed in the gas diffusion layer opposite to the side facing the catalyst layer. Since it flows, the water | moisture content currently hold | maintained at the hydrophilic part is carried to the gas downstream side by gas. As a result, the discharge of water generated by the power generation reaction in the vicinity of the oxidant catalyst layer or the fuel catalyst layer is improved, and the flooding phenomenon is suppressed. It is presumed that water generated by the power generation reaction enters the gas passage of the gas diffusion layer due to a capillary phenomenon or the like and is discharged to the outside of the gas diffusion layer also through the gas passage.
本発明によれば、発電反応で生成された水の排出性が向上するため、フラッディング現象を抑制するのに有利な燃料電池用の膜・電極接合体及びガス拡散層を提供することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, since the discharge | emission property of the water produced | generated by electric power generation reaction improves, the membrane-electrode assembly and gas diffusion layer for fuel cells which are advantageous in suppressing a flooding phenomenon can be provided.
本発明によれば、酸化剤用ガス拡散層及び燃料用ガス拡散層のうちの少なくとも一方は、ガス通路及び連通孔を有する。ガス通路は厚み方向に連通する三次元的な孔構造(例えば網目構造)であり、連通孔は当該一方の厚み方向に沿って延びている構造を採用することができる。連通孔のうちの少なくとも酸化剤用触媒層または燃料用触媒層に対向する側とは反対側の孔部分に、吸水性をもつ親水部を備えている。親水部は吸水性の他に導電性を有することができる。吸水性をもつ親水部としては、OH基、COOH基等の親水性をもつ官能基を有するものを例示できる。カーボンブラックまたはシリカは、表面にOH基および/またはCOOH基等の親水性をもつ官能基を有する傾向があり、一般的にはカーボン繊維よりも親水性を有する。殊に、カーボンブラックは親水性及び導電性を併有する。更に、吸水性をもつ親水部を構成する親水性材料としては、デンプン・アクリル酸共重合体、ポリアクリル酸塩、ポリビニルアルコール等が挙げられる。 According to the present invention, at least one of the oxidant gas diffusion layer and the fuel gas diffusion layer has the gas passage and the communication hole. The gas passage has a three-dimensional hole structure (for example, a network structure) communicating in the thickness direction, and a structure in which the communication hole extends along the one thickness direction can be adopted. A hydrophilic portion having water absorption is provided in at least a portion of the communication hole opposite to the side facing the oxidant catalyst layer or the fuel catalyst layer. The hydrophilic portion can have conductivity in addition to water absorption. Examples of the hydrophilic part having water absorption include those having a functional group having hydrophilicity such as OH group and COOH group. Carbon black or silica tends to have hydrophilic functional groups such as OH groups and / or COOH groups on the surface, and is generally more hydrophilic than carbon fibers. In particular, carbon black has both hydrophilicity and conductivity. Furthermore, examples of the hydrophilic material constituting the hydrophilic part having water absorption include starch / acrylic acid copolymer, polyacrylate, and polyvinyl alcohol.
連通孔としては、高エネルギ密度照射源の照射または針状部材の差込により形成されている形態を例示できる。この場合、酸化剤用ガス拡散層または燃料用ガス拡散層の厚み方向にほぼ直状に延びている連通孔を穿孔できる。連通孔が直状にのびていれば、水を排出させる際において水が移動する距離が短縮されるので、水の排出性の向上に有利であると推察される。連通孔の平均内径(連通孔のうちガス配流板に対向する面の平均内径)としては0.1〜1000ミクロン、1〜500ミクロン、5〜100ミクロンを例示できる。連通孔の平均内径の上限値としては1000ミクロン、700ミクロン、500ミクロン、200ミクロン、100ミクロンを例示できる。連通孔の平均内径の前記した上限値と組み合わせ得る下限値としては、0.1ミクロン、1ミクロン、3ミクロン、10ミクロンを例示できる。連通孔の内径が大きすぎると、電解質膜が過剰に乾燥するおそれがある。連通孔の内径が小さすぎると、水の排出能が低下するおそれがある。これらを考慮して連通孔の平均内径を適宜選択できる。 Examples of the communication hole include a form formed by irradiation with a high energy density irradiation source or insertion of a needle-like member. In this case, a communication hole extending substantially straight in the thickness direction of the oxidant gas diffusion layer or the fuel gas diffusion layer can be drilled. If the communication hole extends in a straight line, the distance that the water moves when the water is discharged is presumed to be advantageous for improving the water discharge performance. Examples of the average inner diameter of the communication holes (the average inner diameter of the surface of the communication holes facing the gas distribution plate) include 0.1 to 1000 microns, 1 to 500 microns, and 5 to 100 microns. Examples of the upper limit value of the average inner diameter of the communication holes include 1000 microns, 700 microns, 500 microns, 200 microns, and 100 microns. Examples of the lower limit value that can be combined with the upper limit value of the average inner diameter of the communication holes include 0.1 micron, 1 micron, 3 microns, and 10 microns. If the inner diameter of the communication hole is too large, the electrolyte membrane may be dried excessively. If the inner diameter of the communication hole is too small, the water discharging ability may be reduced. Considering these, the average inner diameter of the communication holes can be selected as appropriate.
高エネルギ密度照射源としてはレーザビーム、電子ビーム等が例示される。レーザビームとしてはYAGレーザビーム、CO2レーザビーム、エキシマレーザビーム等が例示される。針状部材は、長さ方向にわたり直径がほぼ均一なもの、長さ方向にわたり直径が円錐形状に小さくなるもの等を例示できる。複数の針状部材をもつ加圧体をガス拡散層素材に加圧することにより、針状部材をガス拡散層素材にこれの厚み方向に差し込めば、複数の連通孔をガス拡散層素材にまとめて形成できる。 Examples of the high energy density irradiation source include a laser beam and an electron beam. Examples of the laser beam include a YAG laser beam, a CO 2 laser beam, and an excimer laser beam. Examples of the needle-like member include those having a substantially uniform diameter in the length direction and those having a diameter reduced to a conical shape in the length direction. By pressurizing a gas diffusion layer material with a pressurized body having a plurality of needle-like members, if the needle-like member is inserted into the gas diffusion layer material in the thickness direction, a plurality of communication holes are combined into the gas diffusion layer material. Can be formed.
排水性を考慮すると、連通孔はガス拡散層を厚み方向に貫通していることが好ましいが、必ずしも貫通していなくても良い。ガス拡散層を厚みを100と相対表示するとき、連通孔の深さは20〜100、50〜100とすることができる。ガス拡散層の単位面積当たりに形成する連通孔の数としては、連通孔の内径等にも相違するが、例えば、1〜5000個/cm2、1〜3000個/cm2、5〜2000個/cm2、10〜1000個/cm2、20〜500個/cm2、100〜400個/cm2することができるが、これに限定されるものではない。 In consideration of drainage, the communication hole preferably penetrates the gas diffusion layer in the thickness direction, but it does not necessarily have to penetrate. When the thickness of the gas diffusion layer is relatively displayed as 100, the depth of the communication hole can be set to 20 to 100 and 50 to 100. The number of communication holes formed per unit area of the gas diffusion layer is different depending on the inner diameter of the communication holes, for example, 1 to 5000 / cm 2 , 1 to 3000 / cm 2 , and 5 to 2000. / cm 2, 10 to 1000 pieces / cm 2, 20 to 500 pieces / cm 2, can be 100 to 400 cells / cm 2, but is not limited thereto.
好ましくは、酸化剤用ガス拡散層及び燃料用ガス拡散層のうちの少なくとも一方は、厚み方向に連通するガス通路及び厚み方向に連通する連通孔をもつ。親水部は、連通孔のうちの少なくとも触媒層に対向する側とは反対側の孔部分に設けられた第1親水部と、第1親水部に一体的に設けられ当該一方の表面(当該一方のうちガス配流板に対向する側の表面)に被覆された第2親水部とを有する。この場合、親水部は、連通孔の全体に埋設されている形態、あるいは、連通孔のうちの少なくとも触媒層に対向する側とは反対側の孔部分の埋設されている形態を例示できる。親水部により連通孔の開口面積が減少または消失するため、ガスの透過性が過剰になることが抑制され、従って電解質膜の過剰乾燥が抑制される。ここで、親水部は、連通孔のうちの少なくとも触媒層に対向する側とは反対側の孔部分の開口の全体を塞いでいる形態を採用できる。 Preferably, at least one of the oxidant gas diffusion layer and the fuel gas diffusion layer has a gas passage communicating in the thickness direction and a communication hole communicating in the thickness direction. The hydrophilic portion includes a first hydrophilic portion provided in at least a hole portion of the communication hole opposite to the side facing the catalyst layer, and the one surface (the one side) provided integrally with the first hydrophilic portion. And the second hydrophilic portion coated on the surface facing the gas flow plate. In this case, the hydrophilic part can exemplify a form embedded in the whole communication hole or a form in which a hole part on the opposite side of the communication hole opposite to the side facing the catalyst layer is embedded. Since the opening area of the communication hole is reduced or eliminated by the hydrophilic portion, the gas permeability is suppressed from being excessive, and therefore, the electrolyte membrane is prevented from being excessively dried. Here, the hydrophilic part can employ a form in which the entire opening of the hole part on the side opposite to the side facing the catalyst layer in the communication hole is blocked.
本発明に係る燃料電池用の膜・電極接合体またはガス拡散層を製造する製造方法によれば、酸化剤用ガス拡散層及び燃料用ガス拡散層のうちの少なくとも一方は、厚み方向に連通するガス通路を有する当該一方となるガス拡散層素材を準備する第1工程と、ガス拡散層素材の厚み方向に連通する連通孔を穿孔手段によりガス拡散層素材に穿孔する第2工程と、連通孔のうちの少なくとも酸化剤用触媒層または燃料用触媒層に対向する側とは反対側の孔部分に、吸水性をもつ親水部を設ける第3工程とを順に実施する。 According to the manufacturing method for manufacturing a fuel cell membrane / electrode assembly or gas diffusion layer according to the present invention, at least one of the oxidant gas diffusion layer and the fuel gas diffusion layer communicates in the thickness direction. A first step of preparing one gas diffusion layer material having a gas passage, a second step of drilling a gas diffusion layer material in the thickness direction of the gas diffusion layer material by a punching means, and a communication hole Of these, at least a third step of sequentially providing a hydrophilic portion having water absorption in a hole portion opposite to the side facing the oxidant catalyst layer or the fuel catalyst layer is performed.
好ましくは、親水部は、連通孔のうちの少なくとも触媒層に対向する側とは反対側の孔部分に設けられた第1親水部と、第1親水部に一体的に設けられ当該一方の表面(当該一方のうちガス配流板に対向する表面)に被覆された第2親水部とを有する。発電反応で生成された水は、連通孔に存在する第1親水部を経て第2親水部に到達できる。第2親水部は、ガスが流れるガス配流板側に設けられている。そのため水は、ガス配流板を流れるガスによりガス下流側に運ばれる。 Preferably, the hydrophilic portion is a first hydrophilic portion provided in at least a hole portion on the side opposite to the side facing the catalyst layer in the communication hole, and the one surface provided integrally with the first hydrophilic portion. And a second hydrophilic portion coated on the surface of the one facing the gas distribution plate. The water generated by the power generation reaction can reach the second hydrophilic portion through the first hydrophilic portion existing in the communication hole. The 2nd hydrophilic part is provided in the gas distribution board side through which gas flows. Therefore, water is carried to the gas downstream side by the gas flowing through the gas distribution plate.
本発明の好ましい形態によれば、膜・電極接合体及びガス拡散層において、ガスの供給と水の排出とを同じ細孔を利用するのではなく、それぞれ別の細孔を利用して行なうことを目標とする。図1は好ましい一形態を示す。この形態によれば、図1に示すように、ガス拡散層400は、カーボン繊維等の集合体で形成されており、細孔で形成されたガス通路410を有する。そして、主として排水孔300Aとして機能する連通孔300を、これがガス拡散層400を厚み方向に貫通するように穿孔手段で穿孔する。この場合、ガス拡散層400においてガス通路410と連通孔300とを機能的に分離する。即ち、主としてガス通路410に触媒層601へのガス供給機能を実行させると共に、主として連通孔300に排水機能をそれぞれ担当させる。連通孔300(排水孔300A)における毛細管現象を良好に発現させるためには、連通孔300(排水孔300A)を親水性にすることが好ましい。
According to a preferred embodiment of the present invention, in the membrane / electrode assembly and the gas diffusion layer, the gas supply and the water discharge are performed using different pores instead of using the same pores. To the goal. FIG. 1 shows a preferred embodiment. According to this embodiment, as shown in FIG. 1, the
連通孔300(排水孔300A)に親水性を与えたとき、水が連通孔300(排水孔300A)に接触すると、毛細管現象により吸引力が働き、水が連通孔300(排水孔300A)の内部に取り込まれる。しかしながら、取り込んだ水を連通孔300(排水孔300A)の外方に放出させる際にも、毛細管現象による吸引力が働くため、排水孔300Aからの水の放出を阻害することになる。そこで図1に示すように、親水性材料を基材とする親水部500を、連通孔300(排水孔300A)に配置させる。この場合、図1に示すように、ガス拡散層400のうち触媒層601に対向する側とは反対側の表面400c(即ち、ガス拡散層400のうちガス配流板702に対向する表面400c)に、親水部500を形成させることが好ましい。親水部500は、基本的には、ガス拡散層400のうち触媒層601に対向する側には形成されていない。但し、ガス拡散層400のうち触媒層601に対向する側とは反対側の表面400c(即ち、ガス拡散層400のうちガス配流板702に対向する表面400c)ばかりか、ガス拡散層400のうち触媒層601に対向する側においても、親水部500を形成することができる。
When hydrophilicity is imparted to the communication hole 300 (
ここで、親水部500は親水性を有するため、触媒層601付近で発電反応に基づいて生成された水を吸収すると共に、ガス拡散層400の外方に放出させる機能を有する吸水・放出層として働くことができる。
Here, since the
換言すると、ガス拡散層400のうち触媒層601とは反対側の表面400c(ガス拡散層400のうちガス配流板702に対向する表面400c)に、生成水を導くことができる。ここで、水の球状化は親水部500により抑制されるので、親水部500により水の放出面積を大きくさせることができ、水を蒸発させ易くし、水をオフガスと共に系外に効果的に排出させることができる。また同時に、親水性材料を基材とする親水部500を連通孔300(排水孔300A)に配置すれば、連通孔300の開口が塞がれて連通孔300の開口面積が小さくなるため、ガスの供給性が過剰に大きくなることが防止され、電解質膜603の過剰乾燥を抑制することを期待でき、電解質膜603のプロトン伝導率を高く維持できる。
In other words, the generated water can be guided to the
上記したガス拡散層400を製造する製造方法の好ましい形態によれば、カーボン繊維やカーボブラックの導電物質とPTFE等のフッ素樹脂に代表される撥水剤とを混合したシート状をなすガス拡散層素材を作製する。このガス拡散層素材に形成された撥水化されたガス通路410を、ガスの供給チャンネルとして利用する。そして、PTFE等の撥水剤を混合したガス拡散層素材に、YAGレーザやCO2レーザ等の高エネルギ密度ビーム(高エネルギ密度照射源,穿孔手段)を照射することができる。この場合、排水孔として機能できる複数の連通孔300がガス拡散層素材に穿孔される。この際、高エネルギ密度ビームの熱によりガス拡散層素材が部分的に焼失することにより連通孔300が形成される。更に、その連通孔300の内壁面の周囲に存在するPTFE等の撥水剤が焼失し、連通孔300の周囲における撥水性の消失または低下が起こる。この状態で、ガス拡散層素材のうち触媒層601に対向する側とは反対側の表面(即ち、ガス拡散層素材のうちガス配流板702に対向する表面)に、親水性材料を含有するペースト状の材料を塗工し、当該材料を連通孔300内に配置するとともに、ガス拡散層400のうちガス配流板702に対向する表面400cに展開して塗布する。これにより、吸水性をもつ親水部500を連通孔300に形成することができる。親水部500は、発電反応で生成されたを吸収すると共に放出させる吸水・放出層として機能することができる。
According to a preferred embodiment of the manufacturing method for manufacturing the
(第1工程)
まず、実施例に係るガス拡散層素材を作製する。その手順の概略は以下の通りである。導電繊維としてのカーボン繊維等の短繊維(太さ13ミクロン、長さ3ミリメートル)と、消失可能な有機系の消失物質としてのパルプとを、重量比で6:4で混合して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(液状物)を作製した。その抄紙用スラリーを網状部材に抄紙し、紙状シート(厚さ0.3ミリメートル)を作製した。抄紙とは、抄紙用スラリーに含まれている固形物質と液分とを分離することをいう。
(First step)
First, the gas diffusion layer material according to the example is prepared. The outline of the procedure is as follows. Short fibers (thickness 13 microns, length 3 millimeters) such as carbon fibers as conductive fibers and pulp as a dissipative organic disappearance substance are mixed at a weight ratio of 6: 4 and beaten in water. Thus, a papermaking slurry (liquid material) in which carbon fibers and pulp were uniformly dispersed was produced. The papermaking slurry was made into a mesh member to prepare a paper sheet (thickness 0.3 mm). Papermaking means separating a solid substance and a liquid component contained in a papermaking slurry.
そして、導電物質としてのカーボンブラック(キャボット社:VALCAN XC−72R)と撥水剤(ダイキン工業:PTFE分散液 D−1)とを重量比で2:1で混合し、分散したペーストを用意した。そのペーストを上記抄紙シートの表面にロールコートにより含浸し、乾燥後に380℃にて焼成し、上記抄紙シートに含まれているパルプを焼失させ、その後に、熱プレスし、厚みが面内で均一となるように調整し、実施例に係るガス拡散層素材100(図2参照)を作製した。ガス拡散層素材100は、カーボン繊維等の短繊維及びカーボンブラックの集合体で形成されており、カーボン繊維等の短繊維及びカーボンブラックの間の空間隙間であるガス通路410を備えている。ガス通路410は三次元的な網目構造をなしており、ガスの供給チャンネルとして機能できる。
Then, carbon black (Cabot: VALCAN XC-72R) as a conductive material and a water repellent (Daikin Industries: PTFE dispersion D-1) were mixed at a weight ratio of 2: 1 to prepare a dispersed paste. . The paste is impregnated with the roll coat on the surface of the paper sheet, dried and baked at 380 ° C., the pulp contained in the paper sheet is burned off, and then hot pressed, and the thickness is uniform in the plane. The gas diffusion layer material 100 (see FIG. 2) according to the example was prepared. The gas
(第2工程)
図2に示すように、穿孔手段として機能できる高エネルギ密度ビームとしてのYAGレーザの発振器200(片岡製作所:Q200α)を用い、上記したガス拡散層素材100(60ミリメートル×60ミリメートル×0.3ミリメートル)にレーザビーム110を照射した。これにより複数の連通孔300(直径0.2ミリメートル)を所定の均等ピッチ(2ミリメートルピッチ)でガス拡散層素材100に穿孔した(図3及び図5参照)。連通孔300はガス拡散層素材100の厚み方向に沿って直状またはほぼ直状に貫通する。なお連通孔300の数は20×20=400個とした。このようにレーザビーム110の熱によりガス拡散層素材100が部分的に焼失することにより連通孔300が形成される。更に、その連通孔300の内壁面の周囲に存在するPTFE等の撥水剤が焼失し、連通孔300の周囲300fにおける撥水性の消失または低下が起こる。レーザビーム110により形成された連通孔300は、ガス拡散層素材100の厚み方向に沿って貫通するように直状にのびている。
(Second step)
As shown in FIG. 2, a gas diffusion layer material 100 (60 mm × 60 mm × 0.3 mm) described above is used by using a YAG laser oscillator 200 (Kataoka Seisakusho: Q200α) as a high energy density beam that can function as a punching means. ) Was irradiated with a
(第3工程)
導電物質及び親水性材料として機能できるカーボンブラック(キャボット社:VALCAN XC−72R)と、親水性材料として機能できるアルキルシリケート系無機バインダー(常磐電気:FJ803)とを固形分比率で1:1.4(重量比)で混合した混合ペーストを準備した。そして、100マイクロメートルのギャップをもつアプリケータによって、図4に示すように、ガス拡散層素材100のうちのガス配流板702に対向する表面100cに混合ペーストを塗工し、混合ペーストを連通孔300に挿入しながら、ガス拡散層素材100のうちのガス配流板702の対向する表面100cに被覆し、親水部500を形成した。親水部500は、連通孔300のうちの少なくとも触媒層601に対向する側とは反対側の孔部分に設けられた第1親水部501と、第1親水部501に一体的となるようにガス拡散層素材100のうちのガス配流板702の対向する表面100cに膜状に被覆された第2親水部502とを有する。その後、大気雰囲気において100℃で加熱して無機バインダーを硬化させてガス拡散層400を形成した。
(Third step)
A carbon black (Cabot Corporation: VALCAN XC-72R) that can function as a conductive material and a hydrophilic material, and an alkylsilicate inorganic binder (Jojo Electric: FJ803) that can function as a hydrophilic material in a solid content ratio of 1: 1.4. A mixed paste mixed at (weight ratio) was prepared. Then, as shown in FIG. 4, by using an applicator having a gap of 100 micrometers, the mixed paste is applied to the
触媒層601付近において発電反応により生成された水は、毛細管現象等により連通孔300内に吸収される。その水は、連通孔300の吸水性をもつ親水部500に保持されるため、水は第1親水部501から第2親水部502に移行する。ここで、ガス拡散層702のガス通路702xにガス(一般的には空気等の酸化剤ガス)が流れるため、親水部500の第2親水部502に保持されている水分はガス通路702x内に放出されて、ガスによりガス下流側に運ばれる。この結果、上記した発電反応で生成された水をガス拡散層400の外方に排出させる排出性が向上し、ガス拡散層400のガス通路410を水が塞ぐといったフラッディング現象が抑制される。
The water generated by the power generation reaction in the vicinity of the
本実施例によれば、ガス拡散層素材100は、親水性に乏しいカーボン繊維の他に、親水性をもつカーボンブラックを含有する。親水部500はカーボン繊維を含んでいない。ここで、ガス拡散層素材100におけるカーボンブラックの重量%をW1とし、親水部500におけるカーボンブラックの重量%をW2とすると、W2はW1よりも大きく設定されている(W2>W1)。
According to the present embodiment, the gas
触媒層601付近において発電反応により生成された水は、毛細管現象等によりガス拡散層400のガス通路410にも吸収され、ガス通路410を介してもガス拡散層400の外方に排出されると推察される。本実施例によれば、図4に示すように、親水部500は、連通孔300のうちの少なくとも触媒層601に対向する側とは反対側の孔部分の開口を塞いでいるため、ガス通路702xにガスが流れたとしても、電解質膜603の過剰乾燥が抑制され、ひいては電解質膜603のプロトン伝導率が維持される。
When the water generated by the power generation reaction in the vicinity of the
(比較例1)
比較例1は基本的には実施例1と同様な手順でガス拡散層を作製した。但し、3.の手順は行われていない。従って、レーザビームにより連通孔はガス拡散層に穿孔されているものの、混合ペーストが塗布されていないため、第1親水部501及び第2親水部502が設けられていない。
(Comparative Example 1)
In Comparative Example 1, a gas diffusion layer was produced basically in the same procedure as in Example 1. However, 3. The procedure is not performed. Therefore, although the communication hole is formed in the gas diffusion layer by the laser beam, the first
(比較例2)
比較例2は基本的には実施例1と同様な手順でガス拡散層を作製した。但し、2.及び3.の手順は行われていない。従って、レーザビームによる連通孔も穿孔されていないし、第1親水部501及び第2親水部502も設けられておらず、通常のガス拡散層に相当する。
(Comparative Example 2)
In Comparative Example 2, a gas diffusion layer was basically produced by the same procedure as in Example 1. However, 2. And 3. The procedure is not performed. Therefore, the communication hole by the laser beam is not perforated, the first
(試験例1)
ガス拡散層400の毛細管現象の大小を確認するために、上記したように製造したガス拡散層400のうち親水性をもつ排水孔300Aの部分に水滴を滴下し、その水滴が毛細管現象によりガス拡散層400の内部に吸収されるかどうかの検討を行った。その手順としては次のようした。まず、濾紙の上にガス拡散層400を設置した。この場合、ガス拡散層400のうち触媒層に対向する表面を上側に、ガス配流板に対向する表面を下側に配置した。そして、スポイトにより水を一滴ずつ、排水孔300Aの部分(即ち、レーザビームにより穿孔加工した孔に親水性材料を充填した部分;ガス拡散層400のうち排水孔としての機能をねらった部分)と、撥水性面(即ち、レーザビームによる穿孔加工が行われていない部分、換言すると、ガス通路410としての機能をねらった部分)にそれぞれ水を滴下した。
(Test Example 1)
In order to confirm the magnitude of the capillary phenomenon of the
そして、ガス拡散層400を斜め上方からビデオカメラで撮影し、ガス拡散層400における水滴の時間変化を観測した。観測結果としては、約0.6秒間隔の静止画像によれば、ガス拡散層400における撥水面に滴下した水滴は球状となり、30分間経過としても、その水滴は時間変化をせずに、基本的にはそのままの形態が維持される。一方、ガス拡散層400における親水性をもつ排水孔300Aの部分に水を滴下した場合には、水滴は最初球状となるが、時間と共に、親水性をもつ排水孔300Aに吸収され、水滴のサイズは徐々に小さくなり、やがてはガス拡散層400の表面から消失してしまった。このことから、本実施例に係るガス拡散層400によれば、レーザビーム照射工程、塗工工程を経て形成された排水孔300Aは、期待されたような毛細管現象による水の排出機能を有することがわかった。
And the
(試験例2)
上記した実施例の手順により作製したガス拡散層と、比較例1に係るガス拡散層を,比較例2に係るガス拡散層を用い、燃料電池の膜・電極接合体(MEA,membrane electrode assembly)を作製した。図6に示すように、MEA600は、酸化剤用触媒層601、酸化剤用ガス拡散層401、電解質膜603、燃料用触媒層605、燃料用ガス拡散層402を順に積層して形成されている。酸化剤用ガス拡散層401は、前記した穿孔処理及び塗工処理が実施されたガス拡散層400で形成されており、導電性及びガス透過性を有しており、これの厚み方向に連通するようにレーザビームで穿孔された複数の連通孔300(図6では省略)をもつ。酸化剤用ガス拡散層401の連通孔300のうちの酸化剤用触媒層601に対向する側とは反対側の部分の内壁面には、吸水性をもつ親水部500が設けられている。図1に示すように、親水部500は、連通孔300のうちの少なくとも触媒層601に対向する側とは反対側の孔部分を閉鎖するように設けられた第1親水部501と、第1親水部501に一体的に設けられた膜状の第2親水部502とを有する。燃料用ガス拡散層402は、前記した穿孔処理及び塗工処理が実施されていないガス拡散層で形成されており、導電性及びガス透過性を有する。
(Test Example 2)
A fuel cell membrane / electrode assembly (MEA) using the gas diffusion layer produced by the procedure of the above-described embodiment, the gas diffusion layer according to Comparative Example 1, and the gas diffusion layer according to Comparative Example 2 Was made. As shown in FIG. 6, the
そして、実際に燃料電池として発電運転を行い、ガス拡散層400のフラッディング現象の緩和が観測できるかどうかの検討を行った。その評価手順は以下の通りである。
Then, a power generation operation was actually performed as a fuel cell, and it was examined whether or not the mitigation of the flooding phenomenon of the
まず、白金をカーボンブラックに担持させた白金担持カーボン(ジョンソン・マッケイ社:HiSPEK4000)と高分子電解質(旭化成:SS−1080)とを含有する触媒層を、電解質膜(デュポン:Nafion 112)の両面にホットプレス(温度:130℃、圧力:3MPa)により転写した。その後、実施例の手順により作製したガス拡散層と、比較例1に係るガス拡散層と、比較例2に係るガス拡散層とを、それぞれ直径36ミリメートル(面積10cm2)のサイズとした。電解質膜603に転写した2つの触媒層601,605にそれぞガス拡散層401,402をホットプレス(120℃,3MPa)で接合し、MEA600を作製した。
First, a catalyst layer containing platinum-supported carbon (Johnson McKay: HiSPEK 4000) in which platinum is supported on carbon black and a polymer electrolyte (Asahi Kasei: SS-1080) is formed on both surfaces of the electrolyte membrane (DuPont: Nafion 112). Was transferred by hot pressing (temperature: 130 ° C., pressure: 3 MPa). Thereafter, the gas diffusion layer produced by the procedure of the example, the gas diffusion layer according to Comparative Example 1, and the gas diffusion layer according to Comparative Example 2 were each set to a size of 36 millimeters in diameter (area 10 cm 2 ). The gas diffusion layers 401 and 402 were joined to the two catalyst layers 601 and 605 transferred to the
作製したMEA600を燃料用ガス配流板701と酸化剤ガス用ガス配流板702とで挟持し、単セルの燃料電池を形成した。図6に示すように、燃料用ガス配流板701は、燃料用ガス拡散層402に対向する燃料通路701xをもつ。酸化剤ガス用ガス配流板702は、酸化剤用ガス拡散層401に対向する酸化剤ガス通路702xをもつ。図6は単セルの燃料電池の断面構造を模式的に示す。その燃料電池について放電評価した。放電条件としては、アノードガス/カソードガスについては、純水素(1.2atm)/純酸素(1.2atm)とした。1.2atmは1.2×105Paに相当する。ガス利用率としては、アノードで80%とし、カソードで75%及び30%とした。加湿条件としては表1のようにした。
The produced
(試験結果)
高い電流密度領域ではフラッディング現象が生じ易く、出力が0.4ボルトを下回ると、フラッディング現象により急激にセル電圧が低下する。フラッディング現象の特性を示す指標として、1アンペア/cm2/minの一定速度で電流密度増加させてフラッディング現象を生じさせ、セル電圧が0.35ボルトを横切るときの電流密度(フラッディング電流値)の大きさによりその評価を行うことにした。
(Test results)
A flooding phenomenon is likely to occur in a high current density region, and when the output is less than 0.4 volts, the cell voltage rapidly decreases due to the flooding phenomenon. As an index indicating the characteristics of the flooding phenomenon, the current density is increased at a constant rate of 1 ampere / cm 2 / min to cause the flooding phenomenon, and the current density (flooding current value) when the cell voltage crosses 0.35 volts. We decided to do the evaluation according to the size.
図7は、各放電条件での0.35ボルトのセル電圧時における電流密度(フラッデング電流値)と、0.5アンペア/cm2の電流密度におけるセル抵抗とを示す。図7の縦軸は動作条件(ドライ、ミドル、ウエット)を示す。ここで、Uの値はカソードでのガス利用率を示す。図7の横軸は、セル電圧が0.35ボルトを横切るときの電流密度(フラッデング電流値)、および、0.5アンペア/cm2の電流密度におけるセル抵抗を示す。棒グラフがフラッデング電流値、折れ線グラフがセル抵抗を示している。このセル抵抗は電解質膜の乾き度合に相当する。一般的には、加湿条件がドライであれば、フラッディング現象が生じにくいが、加湿条件がウエットであれば、フラッディング現象が生じ易い。ここで、比較例1に係るガス拡散層は、前述したように、レーザビームによる穿孔加工を実施しているものの、親水性材料を基材とする親水部500の塗工を実施していないものである。比較例2に係るガス拡散層は、前述したように、レーザビームによる穿孔加工と親水性材料の塗工との双方を実施していない未加工(通常のガス拡散層)である。
FIG. 7 shows the current density (flooding current value) at a cell voltage of 0.35 volts and the cell resistance at a current density of 0.5 amperes / cm 2 under each discharge condition. The vertical axis in FIG. 7 indicates operating conditions (dry, middle, wet). Here, the value of U indicates the gas utilization rate at the cathode. The horizontal axis in FIG. 7 shows the current density when the cell voltage crosses 0.35 volts (flooding current value) and the cell resistance at a current density of 0.5 amperes / cm 2 . The bar graph shows the flooding current value, and the line graph shows the cell resistance. This cell resistance corresponds to the dryness of the electrolyte membrane. In general, if the humidification condition is dry, the flooding phenomenon is unlikely to occur, but if the humidification condition is wet, the flooding phenomenon is likely to occur. Here, as described above, the gas diffusion layer according to Comparative Example 1 has been subjected to drilling with a laser beam, but has not been applied with the
図7の試験結果から理解できるように、実施例に係るガス拡散層は、ドライ、ミドル、ウエットのいずれの条件においても、比較例1に係るガス拡散層、比較例2に係るガス拡散層に比べて、高い電流値を発現しており、フラッディング現象を低減させるという改善効果が見られることがわかった。更に、電解質膜の乾き度合に相当するセル抵抗については、穿孔処理を実施していない比較例2に係るガス拡散層が最も良好であった。実施例に係るガス拡散層、比較例1に係るガス拡散層は共に穿孔処理を実施しているが、実施例に係るガス拡散層では、比較例1に係るガス拡散層よりもセル抵抗が低めであり、良好であった。これは、実施例に係るガス拡散層では、電解質膜の過剰乾燥が抑制され、イオン伝導性が高めに確保されていることによるものと推察される。 As can be understood from the test results of FIG. 7, the gas diffusion layer according to the example is the same as the gas diffusion layer according to Comparative Example 1 and the gas diffusion layer according to Comparative Example 2 in any of dry, middle, and wet conditions. Compared to this, it was found that a high current value was developed and an improvement effect of reducing the flooding phenomenon was observed. Furthermore, regarding the cell resistance corresponding to the dryness of the electrolyte membrane, the gas diffusion layer according to Comparative Example 2 in which the perforation treatment was not performed was the best. Both the gas diffusion layer according to the example and the gas diffusion layer according to comparative example 1 are subjected to the perforation process, but the cell resistance in the gas diffusion layer according to the example is lower than that in the gas diffusion layer according to comparative example 1. It was good. This is presumably due to the fact that in the gas diffusion layer according to the example, excessive drying of the electrolyte membrane is suppressed, and the ion conductivity is ensured to be high.
図8は実施例2を示す。実施例2は実施例1と基本的には同様の構成及び作用効果を有する。以下、実施例1と相違する部分を中心として説明する。図8に示すように、親水部500は、レーザビームで穿孔した連通孔300のほぼ全体に埋設された第1親水部501と、第1親水部501に一体的に設けられ当該一方の表面に被覆された膜状の第2親水部502とを有する。このように親水部500は、連通孔300の全体の孔部分を塞いでいる。
FIG. 8 shows a second embodiment. The second embodiment basically has the same configuration and operation effect as the first embodiment. Hereinafter, a description will be given centering on portions different from the first embodiment. As shown in FIG. 8, the
すなわち、図8に示すように、ガス拡散層400のうち触媒層601に対向する側とは反対側の表面400c(即ち、ガス拡散層400のうちガス配流板702に対向する表面400c)ばかりか、ガス拡散層400のうち触媒層601に対向する側においても、親水性をもつ親水部500は形成されている。
That is, as shown in FIG. 8, not only the
この親水部500の形成にあたり、親水性材料として機能できるカーボンブラック(キャボット社:VALCAN XC−72R)と、親水性材料として機能できるアルキルシリケート系無機バインダー(常磐電気:FJ803)とを固形分比率で1:1.4(重量比)で混合した混合ペーストを準備した。そして、100マイクロメートルのギャップをもつアプリケータによって、ガス拡散層素材100のうちのガス配流板に対向する表面100cに混合ペーストを塗工し、混合ペーストを連通孔300に充填しながら、ガス拡散層素材100のうちのガス配流板の対向する表面100cに被覆し、親水部500を形成した。その後、大気雰囲気において100℃で加熱して無機バインダーを硬化させてガス拡散層400を形成した。
In forming the
本実施例においても、発電反応により生成された水は連通孔300内に毛細管現象等により進入し、連通孔300内に存在する吸水性をもつ親水部500に保持される。そしてガス拡散層400に形成されている連通孔300のうちの酸化剤用触媒層601に対向する側とは反対側の表面側、即ち、ガス拡散層400のうちガス配流板702に対向する側の表面400cに、ガス(一般的には空気等の酸化剤ガス)が流れるため、親水部500に保持されている水分はガスによりガス下流側に運ばれる。この結果、発電反応で生成された水の排出性が向上し、フラッディング現象が抑制される。
Also in this embodiment, the water generated by the power generation reaction enters the
本実施例においても、連通孔300の全体の孔部分を親水部500で塞いでいるため、酸化剤ガス用ガス配流板702の酸化剤ガス通路702xを空気等の酸化剤ガスが流れるときであっても、電解質膜603の過剰乾燥が抑制される。
Also in this embodiment, since the entire hole portion of the
図9及び図10は実施例3を示す。実施例3は実施例1と基本的には同様の構成及び作用効果を有する。以下、実施例1と相違する部分を中心として説明する。本実施例では、図9に示すように複数の針状部材801をもつ加圧体800を用意する。針状部材801は、先端に向かうにつれて外径が小さくなる円錐面801fをもち、金属またはセラミックスを基材として形成できる。そして加圧体800をガス拡散層素材100に加圧することにより、加圧体800の針状部材801をガス拡散層素材100に差し込むことにより、複数の連通孔300Bを形成した。この場合、複数の連通孔300Bを求めて穿孔できる。図10に示すように、他の実施例と同様に、親水部500は、連通孔300のうちの少なくとも触媒層601に対向する側とは反対側の孔部分に設けられた第1親水部501と、第1親水部501に一体的となるようにガス拡散層400の表面400cに被覆された膜状の第2親水部502とを有する。図10に示すように、この親水部500は、連通孔300Bのうちの少なくとも触媒層601に対向する側とは反対側の孔部分(即ち、ガス拡散層400のうちガス配流板702に対向する表面側の孔部分)を塞いでいるため、電解質膜603の過剰乾燥が抑制される。
9 and 10 show a third embodiment. The third embodiment basically has the same configuration and operation effect as the first embodiment. Hereinafter, a description will be given centering on portions different from the first embodiment. In this embodiment, as shown in FIG. 9, a pressurizing
図11は実施例4を示す。実施例4は実施例1と基本的には同様の構成及び作用効果を有する。以下、実施例1と相違する部分を中心として説明する。本実施例では、図11に示すように、親水部500は、連通孔300の全体を閉鎖するように埋設された第1親水部501と、第1親水部501に一体的となるようにガス拡散層400の表面400cに被覆された膜状の第2親水部502とを有する。
FIG. 11 shows a fourth embodiment. The fourth embodiment basically has the same configuration and operational effects as the first embodiment. Hereinafter, a description will be given centering on portions different from the first embodiment. In the present embodiment, as shown in FIG. 11, the
(他の実施例)
上記した各実施例によれば、酸化剤用ガス拡散層401は、厚み方向に連通するガス通路410及び厚み方向に連通する連通孔300をもち、吸水性をもつ親水部500を連通孔300に備えているが、これに限らず、燃料用ガス拡散層402に連通孔を形成し、吸水性をもつ親水部を連通孔に設けることにしても良い。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。
(Other examples)
According to each of the embodiments described above, the oxidant
本発明は例えば車両用の燃料電池、産業機器用の燃料電池、電子機器用の燃料電池、電気機器の燃料電池、家庭用の燃料電池用等に利用することができる。 The present invention can be used, for example, for a fuel cell for a vehicle, a fuel cell for an industrial device, a fuel cell for an electronic device, a fuel cell for an electrical device, and a fuel cell for home use.
図中、100はガス拡散層素材、210はレーザビーム、300は連通孔、300Aは排水孔、400はガス拡散層、410はガス通路、500は親水部、501は第1親水部、502は第2親水部、600はMEA、401は酸化剤用ガス拡散層、402は燃料用ガス拡散層、600はMEA、601は酸化剤用触媒層、603は電解質膜、605は燃料用触媒層、701は燃料用ガス配流板、702は酸化剤ガス用ガス配流板、800は加圧体、801は針状部材を示す。
In the figure, 100 is a gas diffusion layer material, 210 is a laser beam, 300 is a communication hole, 300A is a drain hole, 400 is a gas diffusion layer, 410 is a gas passage, 500 is a hydrophilic portion, 501 is a first hydrophilic portion, and 502 is The second hydrophilic portion, 600 is MEA, 401 is an oxidant gas diffusion layer, 402 is a fuel gas diffusion layer, 600 is an MEA, 601 is an oxidant catalyst layer, 603 is an electrolyte membrane, 605 is a fuel catalyst layer,
Claims (9)
前記酸化剤用ガス拡散層及び前記燃料用ガス拡散層のうちの少なくとも一方は、
厚み方向に連通するガス通路及び厚み方向に連通する連通孔をもち、
前記連通孔のうちの少なくとも前記酸化剤用触媒層または前記燃料用触媒層に対向する側とは反対側の孔部分に、吸水性をもつ親水部を備えていることを特徴とする燃料電池用の膜・電極接合体。 In the membrane / electrode assembly formed by sequentially laminating an oxidant gas diffusion layer, an oxidant catalyst layer, an electrolyte membrane, a fuel catalyst layer, and a fuel gas diffusion layer,
At least one of the oxidant gas diffusion layer and the fuel gas diffusion layer is:
With a gas passage communicating in the thickness direction and a communication hole communicating in the thickness direction,
For the fuel cell, a hydrophilic portion having water absorption is provided in at least a hole portion of the communication hole opposite to the side facing the oxidant catalyst layer or the fuel catalyst layer. Membrane / electrode assembly.
前記酸化剤用ガス拡散層及び前記燃料用ガス拡散層のうちの少なくとも一方は、
厚み方向に連通するガス通路を有すると共に当該一方となるガス拡散層素材を準備する第1工程と、
前記ガス拡散層素材の厚み方向に連通する連通孔を穿孔手段により前記ガス拡散層素材に穿孔する第2工程と、
前記連通孔のうちの少なくとも前記酸化剤用触媒層または前記燃料用触媒層に対向する側とは反対側の孔部分に、吸水性をもつ親水部を設ける第3工程とを順に実施することにより形成されていることを特徴とする燃料電池用の膜・電極接合体の製造方法。 In the manufacturing method of manufacturing a membrane-electrode assembly for a fuel cell by sequentially stacking an oxidant gas diffusion layer, an oxidant catalyst layer, an electrolyte membrane, a fuel catalyst layer, and a fuel gas diffusion layer,
At least one of the oxidant gas diffusion layer and the fuel gas diffusion layer is:
A first step of preparing a gas diffusion layer material to be one of the gas passages communicating in the thickness direction;
A second step of perforating the gas diffusion layer material with a communicating hole communicating in the thickness direction of the gas diffusion layer material;
By sequentially performing at least a third step of providing a hydrophilic portion having water absorption in a hole portion on the opposite side of the communication hole from the side facing the catalyst layer for oxidant or the catalyst layer for fuel. A method for producing a membrane-electrode assembly for a fuel cell, wherein the membrane-electrode assembly is formed.
厚み方向に連通するガス通路及び厚み方向に連通する連通孔をもち、前記連通孔のうちの少なくとも前記触媒層に対向する側とは反対側の孔部分に、吸水性をもつ親水部を備えていることを特徴とする燃料電池用のガス拡散層。 A gas diffusion layer for a fuel cell having one side in the thickness direction facing the catalyst layer, the other side in the thickness direction facing the gas distribution plate, and having gas permeability for supplying the gas from the gas distribution plate to the catalyst layer In
A gas passage that communicates in the thickness direction and a communication hole that communicates in the thickness direction, and a hydrophilic portion having water absorption is provided in at least a hole portion of the communication hole opposite to the side facing the catalyst layer. A gas diffusion layer for a fuel cell.
酸化剤用ガス拡散層及び燃料用ガス拡散層のうちの少なくとも一方となると共に厚み方向に連通するガス通路を有するガス拡散層素材を準備する第1工程と、
前記ガス拡散層素材の厚み方向に連通する連通孔を穿孔手段により前記ガス拡散層素材に穿孔する第2工程と、
前記連通孔のうちの少なくとも前記触媒層に対向する側とは反対側の部分の内壁面に、吸水性をもつ親水部を設ける第3工程とを順に実施することを特徴とする燃料電池用のガス拡散層の製造方法。 A gas diffusion layer for a fuel cell having one side in the thickness direction facing the catalyst layer, the other side in the thickness direction facing the gas distribution plate, and having gas permeability for supplying the gas from the gas distribution plate to the catalyst layer In the manufacturing method of
A first step of preparing a gas diffusion layer material that has at least one of an oxidant gas diffusion layer and a fuel gas diffusion layer and has a gas passage communicating in the thickness direction;
A second step of perforating the gas diffusion layer material with a communicating hole communicating in the thickness direction of the gas diffusion layer material;
And a third step of sequentially providing a hydrophilic portion having water absorption on an inner wall surface of a portion of the communication hole opposite to the side facing the catalyst layer. A method for producing a gas diffusion layer.
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JP2008108507A (en) * | 2006-10-24 | 2008-05-08 | Mitsubishi Electric Corp | Polymer electrolyte fuel cell and its manufacturing method |
JP2008198567A (en) * | 2007-02-15 | 2008-08-28 | Nippon Soken Inc | Fuel cell |
KR100888193B1 (en) * | 2007-07-24 | 2009-03-12 | 한국과학기술원 | Fuel cell with structured gas diffusion layer and manufacturing method of gas diffusion layer |
-
2004
- 2004-10-21 JP JP2004307170A patent/JP2006120461A/en active Pending
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