JP2006179317A - Gas diffusion layer and fuel cell using this - Google Patents

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憲尚 脇
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a gas diffusion layer further enhanced in water draining property and gas diffusion property even at a low temperature. <P>SOLUTION: The gas diffusion layer is composed by forming a water repellent layer 120 on a gas diffusion substrate 110, containing carbon particles 121 coated with a water repellent material in the water repellent layer, and continuously passing carbon particles 122 subjected to hydrophilic treatment through in the thickness direction in at least one part of the water repellent layer. By the effect of the carbon particles subjected to hydrophilic treatment, water penetration paths can be secured. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、ガス拡散層に関し、より詳細には排水性がより向上された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 with improved drainage.

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。固体高分子型燃料電池は、フィルム状の固体高分子電解質膜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 issues, 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. . The solid polymer fuel cell is characterized by using a film-like solid polymer electrolyte membrane.

固体高分子型燃料電池の構成は、一般的には、膜−電極接合体(以下、「MEA」とも記載する。)をセパレータで挟持した構造となっている。MEAは、固体高分子電解質膜の両側に二つの電極が配設され、さらにこれをガス拡散層で挟持した構造となっている。電極は、固体高分子電解質と導電性担体に触媒粒子が担持されてなる電極触媒との混合物により形成された多孔性のものであり、電極触媒層とも呼ばれる。   The polymer electrolyte fuel cell generally has a structure in which a membrane-electrode assembly (hereinafter also referred to as “MEA”) is sandwiched between separators. The MEA has a structure in which two electrodes are disposed on both sides of a solid polymer electrolyte membrane and this is sandwiched between gas diffusion layers. The electrode is a porous material formed by a mixture of a solid polymer electrolyte and an electrode catalyst in which catalyst particles are supported on a conductive carrier, and is also called an electrode catalyst layer.

固体高分子型燃料電池では、以下のような電気化学的反応などを通して、電気を外部に取り出すことが可能となる。まず、燃料極(アノード)側に供給された燃料ガスに含まれる水素が、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、燃料極側電極触媒層に含まれる固体高分子電解質、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、燃料極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、セパレータおよび外部回路を通して酸素極側電極触媒層に達する。そして、酸素極側電極触媒層に達したプロトンおよび電子は酸素極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。   In the polymer electrolyte fuel cell, electricity can be taken out through the following electrochemical reaction. First, hydrogen contained in the fuel gas supplied to the fuel electrode (anode) side is oxidized by the catalyst particles to become protons and electrons. Next, the generated protons pass through the solid polymer electrolyte contained in the fuel electrode side 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 fuel electrode 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 separator, and It reaches the oxygen electrode side electrode catalyst layer through an external circuit. The protons and electrons that reach the oxygen electrode side electrode catalyst layer react with oxygen contained in the oxidant gas supplied to the oxygen electrode side to generate water.

かような電気化学的反応は、主に、触媒粒子と、固体高分子電解質と、燃料ガスまたは酸化剤ガスなどの反応ガスと、が接触する三相界面において進行するのである。従って、ガス拡散層は、供給された反応ガスを電極へと均一に供給することが必要とされる。   Such an electrochemical reaction mainly proceeds at a three-phase interface where catalyst particles, a solid polymer electrolyte, and a reaction gas such as a fuel gas or an oxidant gas are in contact with each other. Therefore, the gas diffusion layer is required to uniformly supply the supplied reaction gas to the electrode.

また、燃料電池における固体高分子電解質膜は、湿潤していないと高いプロトン導電性を示さない。そのため、固体高分子型燃料電池に供給する反応ガスは、ガス加湿装置などを用いて加湿することにより、固体高分子電解質膜の湿度分布を均一にする必要がある。   In addition, a solid polymer electrolyte membrane in a fuel cell does not exhibit high proton conductivity unless it is wet. Therefore, it is necessary to make the humidity distribution of the solid polymer electrolyte membrane uniform by humidifying the reaction gas supplied to the solid polymer fuel cell using a gas humidifier or the like.

高加湿、高電流密度などの運転条件下では、アノードからカソードに向けて固体高分子電解質膜を移動するプロトンに伴って移動する水の量、および酸素極側電極触媒層内に生成して凝集する生成水の量が増加する。この時、これらの生成水は、特に酸素極側電極触媒層内に滞留し、反応ガス供給路となっていた細孔を閉塞するフラッディング現象を招く。これにより、反応ガスの拡散などが阻害され、電気化学的反応が妨げられ、結果として電池性能の低下を招く。   Under operating conditions such as high humidification and high current density, the amount of water that moves with the protons that move through the polymer electrolyte membrane from the anode to the cathode, and the water that forms in the oxygen electrode-side electrode catalyst layer The amount of generated water increases. At this time, these produced waters particularly stay in the oxygen electrode-side electrode catalyst layer and cause a flooding phenomenon that closes the pores that have become the reaction gas supply path. As a result, the diffusion of the reaction gas is inhibited, the electrochemical reaction is hindered, and as a result, the battery performance is lowered.

そこで、従来では、ガス拡散層の排水性を向上させることにより、フラッディング現象を防止する種々の試みがなされている。例えば、特許文献1には、ガス拡散基材における撥水剤の含有量に勾配を設けたガス拡散層が開示されている。   Therefore, conventionally, various attempts have been made to prevent the flooding phenomenon by improving the drainage of the gas diffusion layer. For example, Patent Literature 1 discloses a gas diffusion layer having a gradient in the content of the water repellent in the gas diffusion base material.

また、特許文献2には、ガス拡散基材表面にカーボンブラックおよびフッ素樹脂を含む撥水層を有するガス拡散層が開示されている。前記撥水層は、フッ素樹脂にコーティングされたカーボンブラックの集合体からなる多孔質構造を有する。従って、前記撥水層によれば、加湿して供給された反応ガスを拡散させて電極触媒層により均一に供給するだけでなく、過剰な水を速やかに排水することが可能となる。   Patent Document 2 discloses a gas diffusion layer having a water repellent layer containing carbon black and a fluororesin on the surface of the gas diffusion substrate. The water repellent layer has a porous structure made of an aggregate of carbon black coated with a fluororesin. Therefore, according to the water repellent layer, it is possible not only to diffuse the reaction gas supplied by humidification and supply it uniformly by the electrode catalyst layer, but also to quickly drain excess water.

さらに、特許文献3には、ガス入口側からガス出口側に向かって前記撥水層における撥水剤、空孔径などに勾配を付与することにより、排水性などがより向上されたガス拡散層が開示されている。
特開2003−109604号公報 特開2003−89968号公報 特開2003−92112号公報
Further, Patent Document 3 discloses a gas diffusion layer with improved drainage and the like by imparting a gradient to the water repellent, pore diameter, etc. in the water repellent layer from the gas inlet side to the gas outlet side. It is disclosed.
JP 2003-109604 A JP 2003-89968 A JP 2003-92112 A

しかしながら、上記特許文献1〜3などの従来のガス拡散層では、十分な排水性を得ることができない恐れがあった。また、上記特許文献1および上記特許文献3では、撥水剤などの勾配を管理する必要があり、製造方法が複雑である。   However, the conventional gas diffusion layers such as Patent Documents 1 to 3 described above may not be able to obtain sufficient drainage. Moreover, in the said patent document 1 and the said patent document 3, it is necessary to manage gradients, such as a water repellent, and a manufacturing method is complicated.

また、冬季等の低気温時において、燃料電池の温度は停止時に、適正運転温度より甚だしく低下する。特に、氷点下時等の燃料電池では、電極触媒層で生成した水がガス拡散層内のいたるところで滞留して凍結する恐れがあった。そのため、上記特許文献1〜3などの従来のガス拡散層では、水の凍結によって反応ガスの拡散が阻害され、短時間で燃料電池を再起動させるのが困難であった。また、短時間で再起動させるためには燃料電池の温度を上昇させるのに大きなエネルギーが必要となる。   Also, at low temperatures such as in winter, the temperature of the fuel cell is significantly lower than the proper operating temperature when stopped. In particular, in a fuel cell when the temperature is below freezing, water generated in the electrode catalyst layer may stay in the gas diffusion layer and freeze. Therefore, in the conventional gas diffusion layers such as Patent Documents 1 to 3 described above, diffusion of the reaction gas is inhibited by freezing of water, and it is difficult to restart the fuel cell in a short time. Further, in order to restart in a short time, a large amount of energy is required to raise the temperature of the fuel cell.

そこで、本発明は、排水性をより向上させ、かつ、低気温時においても優れたガス拡散性を発揮することができるガス拡散層を提供することを目的とする。   Then, an object of this invention is to provide the gas diffusion layer which can improve drainage more and can exhibit the outstanding gas diffusibility also at the time of low temperature.

本発明は、ガス拡散基材上に撥水層を有するガス拡散層において、前記撥水層の少なくとも一部に、水の浸透経路を有するガス拡散層により上記課題を解決する。   The present invention solves the above-mentioned problem by a gas diffusion layer having a water permeation path in at least a part of the water repellent layer in a gas diffusion layer having a water repellent layer on a gas diffusion base material.

本発明によれば、撥水層の少なくとも一部に水の浸透経路を有することにより排水性がより向上されたガス拡散層を提供することが可能となる。さらに、氷点下時などにおいては、水の浸透経路内で水が凍結するため、水の浸透経路以外の部位ではガス拡散経路を確保することが可能となる。これにより、低気温時においても優れたガス拡散性を発揮することができるガス拡散層とすることが可能となる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, it becomes possible to provide the gas diffusion layer whose drainage property was improved more by having the permeation | transmission path | route of water in at least one part of a water repellent layer. Furthermore, when the temperature is below freezing point, the water freezes in the water permeation path, so that it is possible to secure a gas diffusion path in a portion other than the water permeation path. This makes it possible to provide a gas diffusion layer that can exhibit excellent gas diffusibility even at low temperatures.

本発明の第一は、ガス拡散基材上に撥水層を有するガス拡散層において、前記撥水層の少なくとも一部に、水の浸透経路を有するガス拡散層である。   The first of the present invention is a gas diffusion layer having a water repellent layer on a gas diffusion base material, and having a water permeation path in at least a part of the water repellent layer.

前記撥水層における水の浸透経路とは、撥水層や燃料電池を組み立てた際などに隣接される電極触媒層などに含まれる水を吸い取り、前記水をガス拡散基材へと誘導させて排出させる機能を有するものである。   The water permeation path in the water-repellent layer refers to sucking water contained in an electrode catalyst layer adjacent to the water-repellent layer or a fuel cell when it is assembled, and guiding the water to the gas diffusion base material. It has a function of discharging.

本発明では、撥水層の少なくとも一部に前記水の浸透経路を付与することにより、ガス拡散層の排水性をより向上させることが可能なことを見出した。さらに、撥水層において、前記水の浸透経路を有する部分では水を積極的に前記経路内へ誘導させてガス拡散基材へ排水させることができ、これによりその他の部分でガスの拡散経路を確保することが可能となる。   In the present invention, it has been found that the drainage property of the gas diffusion layer can be further improved by providing the water permeation path to at least a part of the water repellent layer. Furthermore, in the water-repellent layer, water can be actively guided into the path at the portion having the water permeation path and drained to the gas diffusion base material, whereby the gas diffusion path can be formed at the other portions. It can be secured.

これにより、燃料電池の運転時などにおいて生成水が多量に発生してもガス拡散層におけるフラッディング現象を防止して、外部から供給されたガスを均一に拡散させて電極触媒層などへ供給することができる。さらに、水を積極的に水の浸透経路内へ取り込むことができるため、燃料電池の停止時などにおいて内部に含まれる水が凍結し易い環境であっても、水の浸透経路内でのみ水が凍結し、その他の部位でガスの拡散経路を確保することができるのである。   This prevents flooding in the gas diffusion layer even when a large amount of generated water is generated during the operation of the fuel cell, etc., and uniformly diffuses the gas supplied from the outside to supply it to the electrode catalyst layer, etc. Can do. Furthermore, since water can be actively taken into the water permeation path, even in an environment where the water contained therein is prone to freeze when the fuel cell is stopped, the water can flow only within the water permeation path. It is possible to freeze and secure a gas diffusion path at other sites.

前記撥水層における水の浸透経路は、厚さ方向に向かって貫通して形成されているのが好ましい。これにより、水をガス拡散基材へとより確実に排出させることができる。また、撥水層において、水の浸透経路の形状は、厚さ方向に向かって貫通して形成されていれば特に制限されず、直線状、網目状、などのいずれであってもよい。   The water permeation path in the water repellent layer is preferably formed so as to penetrate in the thickness direction. Thereby, water can be more reliably discharged | emitted to a gas diffusion base material. In the water-repellent layer, the shape of the water permeation path is not particularly limited as long as it is formed so as to penetrate in the thickness direction, and may be any of a straight line shape, a mesh shape, and the like.

本発明のガス拡散層において、前記撥水層における水の浸透経路は、好ましくは親水処理されたカーボン粒子からなる。前記親水処理されたカーボン粒子を含む水の浸透経路を少なくとも一部に有する撥水層を図1を用いて説明する。   In the gas diffusion layer of the present invention, the water permeation path in the water-repellent layer is preferably made of carbon particles that have been subjected to hydrophilic treatment. A water-repellent layer having at least a part of a water permeation path containing the hydrophilically treated carbon particles will be described with reference to FIG.

なお、図1において、説明の都合上、撥水層におけるカーボン粒子の存在形態などを誇張して示しているが、カーボン粒子の存在形態が図示する形態に限定されるわけではない。   In FIG. 1, for convenience of explanation, the existence form of the carbon particles in the water repellent layer is exaggerated, but the existence form of the carbon particles is not limited to the illustrated form.

図1は、本発明の好ましい一実施形態であるガス拡散層の模式図であり、ガス拡散基材110上に撥水層120が形成された構成を有し、撥水層120は撥水剤にコーティングされてなるカーボン粒子121を含み、前記撥水層120の少なくとも一部に親水処理されたカーボン粒子122を含む。このように、撥水層120において、親水処理されたカーボン粒子122が連続して存在することで厚さ方向に向かって貫通して水の浸透経路を確保できるとともに、親水処理されたカーボン粒子122の親水性の効果により水を経路内に誘導することが可能となる。   FIG. 1 is a schematic view of a gas diffusion layer according to a preferred embodiment of the present invention, which has a configuration in which a water repellent layer 120 is formed on a gas diffusion base 110, and the water repellent layer 120 is a water repellent. The carbon particles 121 are coated on each other, and at least a part of the water repellent layer 120 includes hydrophilicly treated carbon particles 122. Thus, in the water-repellent layer 120, the hydrophilically treated carbon particles 122 are continuously present, so that a water permeation path can be secured by penetrating in the thickness direction, and the hydrophilically treated carbon particles 122. It becomes possible to guide water into the path due to the hydrophilic effect.

前記親水処理されたカーボン粒子として、具体的には、親水剤にコーティングされてなるカーボン粒子;カルボキシル基、フェノール基などの親水性基が導入されることにより表面を親水性に改質されたカーボン粒子が挙げられる。なかでも、前記親水処理されたカーボン粒子として好ましくは、作製方法が容易であることから、親水剤にコーティングされてなるカーボン粒子が好ましく挙げられる。   Specifically, the hydrophilically treated carbon particles include carbon particles coated with a hydrophilic agent; carbon whose surface has been modified to be hydrophilic by introducing hydrophilic groups such as carboxyl groups and phenol groups. Particles. Among these, carbon particles that are coated with a hydrophilic agent are preferred because the hydrophilically treated carbon particles are preferably easy to produce.

親水剤にコーティングされてなるカーボン粒子において、カーボン粒子としては、電子伝導性に優れるものであればよく、カーボンブラック粉末、黒鉛粉末、膨張黒鉛粉末などが挙げられる。電子伝導性に優れ、比表面積が大きいことから、オイルファーネスブラック、チャネルブラック、ランプブラック、サーマルブラック、アセチレンブラックなどのカーボンブラックが好ましく挙げられる。   In the carbon particles coated with the hydrophilic agent, the carbon particles may be any carbon particles having excellent electron conductivity, and examples thereof include carbon black powder, graphite powder, and expanded graphite powder. Carbon blacks such as oil furnace black, channel black, lamp black, thermal black, and acetylene black are preferred because of their excellent electron conductivity and large specific surface area.

前記カーボン粒子は、市販品を用いることができ、キャボット社製バルカンXC−72、バルカンP、ブラックパールズ880、ブラックパールズ1100、ブラックパールズ1300、ブラックパールズ2000、リーガル400、ライオン社製ケッチェンブラックEC、三菱化学社製#3150、#3250などのオイルファーネスブラック;電気化学工業社製デンカブラックなどのアセチレンブラック等が挙げられる。またカーボンブラックのほか、天然の黒鉛、ピッチ、コークス、ポリアクリロニトリル、フェノール樹脂、フラン樹脂などの有機化合物から得られる人工黒鉛や炭素などであってもよい。また、耐食性などを向上させるために、前記カーボン粒子に黒鉛化処理などの加工を行ってもよい。   Commercially available products can be used as the carbon particles, such as Cabot Vulcan XC-72, Vulcan P, Black Pearls 880, Black Pearls 1100, Black Pearls 1300, Black Pearls 2000, Legal 400, Ketjen Black EC manufactured by Lion. Oil furnace black such as # 3150 and # 3250 manufactured by Mitsubishi Chemical Corporation; acetylene black such as Denka Black manufactured by Denki Kagaku Kogyo Co., Ltd. and the like. In addition to carbon black, artificial graphite or carbon obtained from organic compounds such as natural graphite, pitch, coke, polyacrylonitrile, phenol resin, and furan resin may be used. Moreover, in order to improve corrosion resistance etc., you may process the said carbon particle, such as a graphitization process.

前記カーボン粒子の粒子径は、好ましくは0.2〜5μm、より好ましくは0.3〜1μmとするのがよい。カーボン粒子の粒子径が、5μmを超えると表面が粗くなり接触抵抗が増大する恐れがあり、0.2μm未満であると撥水層の空隙率が低下してガス拡散性が低下する恐れがある。   The particle diameter of the carbon particles is preferably 0.2 to 5 μm, more preferably 0.3 to 1 μm. If the particle size of the carbon particles exceeds 5 μm, the surface may become rough and the contact resistance may increase, and if it is less than 0.2 μm, the porosity of the water-repellent layer may decrease and the gas diffusibility may decrease. .

次に、親水剤にコーティングされてなるカーボン粒子における親水剤としては、Nafion(DuPont社製 登録商標)、Flemion(旭化成株式会社製 登録商標)に代表されるパーフルオロカーボンスルホン酸系ポリマーなどの、スルホン酸基等の親水性基を含有する高分子などが好ましく挙げられる。   Next, as the hydrophilic agent in the carbon particles coated with the hydrophilic agent, sulfone such as perfluorocarbon sulfonic acid polymer represented by Nafion (registered trademark by DuPont) and Flemion (registered trademark by Asahi Kasei Co., Ltd.) can be used. A polymer containing a hydrophilic group such as an acid group is preferred.

親水剤にコーティングされてなるカーボン粒子において、カーボン粒子は親水剤により表面全体がコーティングされているのが望ましい。しかしながら、カーボン粒子表面の一部が親水剤によりコーティングされずに露出していたり、隣接する他のカーボン粒子と接触している状態であっても親水剤にコーティングされてなるカーボン粒子の概念に含まれるものとする。   In the carbon particles coated with the hydrophilic agent, it is desirable that the entire surface of the carbon particles is coated with the hydrophilic agent. However, it is included in the concept of carbon particles coated with a hydrophilic agent even if part of the carbon particle surface is exposed without being coated with the hydrophilic agent or is in contact with other adjacent carbon particles. Shall be.

また、水の浸透経路に親水剤にコーティングされてなるカーボン粒子を用いた場合、撥水層における親水剤と、親水剤にコーティングされてなるカーボン粒子との混合比は、質量比で、好ましくは30:70〜70:30、より好ましくは30:70〜50:50程度とするのがよい。親水剤の含有量が、多過ぎると水の浸透経路内の空隙率が低下する恐れがあり、少な過ぎると水の浸透経路を十分に形成することができない恐れがある。   Further, when carbon particles coated with a hydrophilic agent are used in the water penetration path, the mixing ratio of the hydrophilic agent in the water repellent layer and the carbon particles coated with the hydrophilic agent is preferably a mass ratio, preferably 30:70 to 70:30, more preferably about 30:70 to 50:50. If the content of the hydrophilic agent is too large, the porosity in the water permeation path may decrease, and if it is too small, the water permeation path may not be sufficiently formed.

前記親水処理されたカーボン粒子としては、上記で列挙したものの他、空気雰囲気中で熱処理されてなるカーボン粒子が好ましく挙げられる。   Preferred examples of the carbon particles subjected to the hydrophilic treatment include carbon particles obtained by heat treatment in an air atmosphere in addition to those listed above.

本願では、親水性を有するカーボン粒子について検討した結果、空気雰囲気中で熱処理することによりカーボン粒子表面に形成された酸化被膜が親水性を有することを見出した。このような効果が得られる理由は明らかではないが、次のようなことが考えられる。すなわち、カーボン粒子を製造する際に、カーボン原料の炭素化工程で行う焼成において炉の不純物等が混入することやロール工程などによりナトリウムやリンなどの不純物が混入する。そのため、カーボン粒子にはナトリウムやリンなどの元素が含まれる。従って、かようなカーボン粒子を酸化することで、カーボン粒子表面には、リン酸ナトリウム(NaPO)などのナトリウムおよびリンを含む親水性を示す酸化物を含有する酸化被膜が形成されると考えられる。 In this application, as a result of examining the carbon particles having hydrophilicity, it was found that the oxide film formed on the surface of the carbon particles by heat treatment in an air atmosphere has hydrophilicity. The reason why such an effect is obtained is not clear, but the following may be considered. That is, when carbon particles are manufactured, impurities such as sodium and phosphorus are mixed due to mixing of furnace impurities and the like in a firing process in a carbon raw material carbonization process or a roll process. Therefore, carbon particles contain elements such as sodium and phosphorus. Therefore, it is considered that by oxidizing such carbon particles, an oxide film containing a hydrophilic oxide containing sodium and phosphorus such as sodium phosphate (NaPO 3 ) is formed on the surface of the carbon particles. It is done.

前記カーボン粒子は、特に制限されないが、親水剤にコーティングされてなるカーボン粒子において列挙したものと同様のものが挙げられる。   The carbon particles are not particularly limited, and examples thereof include the same carbon particles as those listed for the carbon particles coated with a hydrophilic agent.

カーボン粒子の熱処理は、好ましくは500〜1500℃、より好ましくは700〜1000℃で、0.5〜1時間程度行えばよい。熱処理温度が、500℃未満であるとカーボン粒子表面に十分な酸化被膜を形成できない恐れがあり、1500℃を超えると、カーボン粒子が全て熱分解する恐れがあるため望ましくない。   The heat treatment of the carbon particles is preferably performed at 500 to 1500 ° C., more preferably 700 to 1000 ° C., for about 0.5 to 1 hour. If the heat treatment temperature is less than 500 ° C., a sufficient oxide film may not be formed on the surface of the carbon particles, and if it exceeds 1500 ° C., all the carbon particles may be thermally decomposed, which is not desirable.

空気雰囲気中で熱処理されてなるカーボン粒子において、酸化被膜の厚さは、好ましくは50〜200nm、より好ましくは100〜150nm程度とするのがよい。酸化被膜の厚さが、50nm未満であると十分な親水性が得られない恐れがあり、200nmを超えると熱伝導性が低下するする恐れがある。なお、カーボン粒子の酸化被膜の厚さは、元素分析することにより測定できる。   In the carbon particles heat-treated in the air atmosphere, the thickness of the oxide film is preferably 50 to 200 nm, more preferably about 100 to 150 nm. If the thickness of the oxide film is less than 50 nm, sufficient hydrophilicity may not be obtained, and if it exceeds 200 nm, the thermal conductivity may decrease. In addition, the thickness of the oxide film of the carbon particles can be measured by elemental analysis.

また、カーボン粒子表面の親水性をより向上させるために、前記熱処理を行う前に、前記カーボン粒子表面に酸化処理により親水性を発現する物質を形成する元素を予め添加してもよい。   In order to further improve the hydrophilicity of the carbon particle surface, an element that forms a substance that exhibits hydrophilicity by oxidation treatment may be added to the carbon particle surface in advance before the heat treatment.

酸化処理を行うことにより親水性を発現する物質としては、リン酸ナトリウム(NaPO)などのナトリウムおよびリンを含む酸化物の他に、カリウム、リチウムなどのアルカリ金属の酸化物、マグネシウム、カルシウムなどのアルカリ土類金属の酸化物からなる群から選択される少なくとも一種の金属酸化物などが挙げられる。 Examples of substances that exhibit hydrophilicity by oxidation treatment include oxides containing alkali and sodium such as sodium phosphate such as sodium phosphate (NaPO 3 ), oxides of alkali metals such as potassium and lithium, magnesium, calcium, etc. And at least one metal oxide selected from the group consisting of oxides of alkaline earth metals.

従って、カーボン粒子に予め添加する元素としては、リン、ナトリウム、カリウム、リチウムなどのアルカリ金属、マグネシウム、カルシウムなどのアルカリ土類金属などの、前記金属酸化物を構成する金属の元素が挙げられる。これらの金属の元素であれば、空気雰囲気中の熱処理などの酸化処理により酸化されて、親水性を発現する物質を形成することができる。   Therefore, elements added in advance to the carbon particles include metal elements constituting the metal oxide, such as alkali metals such as phosphorus, sodium, potassium, and lithium, and alkaline earth metals such as magnesium and calcium. These metal elements can be oxidized by an oxidation treatment such as a heat treatment in an air atmosphere to form a substance that exhibits hydrophilicity.

前記金属の元素は、一種単独で用いてもよく、二種以上を混合して用いてもよい。また、前記金属の元素は、塩化ナトリウム(NaCl)、リン石灰(CaF(PO)など、前記金属の元素を含む化合物としてカーボン粒子に予め添加されてもよい。 The metal elements may be used alone or in combination of two or more. The metal element may be added in advance to the carbon particles as a compound containing the metal element, such as sodium chloride (NaCl) or phosphorous lime (Ca 5 F (PO 4 ) 3 ).

空気雰囲気中で熱処理されてなるカーボン粒子において、酸化処理により親水性を発現する物質の含有量は、空気雰囲気中で熱処理されてなるカーボン粒子の質量に対して、5〜40wt%、好ましくは10〜30wt%、より好ましくは15〜20wt%とするのがよい。これにより、適度な親水性を有するカーボン粒子が得られる。従って、これを考慮して、カーボン粒子表面に予め添加する元素量を調整するとよい。また、酸化処理により親水性を発現する物質の含有量は、元素分析することにより測定できる。   In the carbon particles heat-treated in the air atmosphere, the content of the substance that exhibits hydrophilicity by the oxidation treatment is 5 to 40 wt%, preferably 10 based on the mass of the carbon particles heat-treated in the air atmosphere. It should be -30 wt%, more preferably 15-20 wt%. Thereby, the carbon particle which has moderate hydrophilic property is obtained. Therefore, in consideration of this, it is advisable to adjust the amount of element added in advance to the carbon particle surface. Further, the content of a substance that exhibits hydrophilicity by oxidation treatment can be measured by elemental analysis.

本発明の撥水層において、上述した親水処理されたカーボン粒子の含有量は、撥水層の体積に対して、好ましくは30〜70体積%、より好ましくは30〜50体積%、特に好ましくは30〜40体積%とするのがよい。これにより撥水層の少なくとも一部に厚さ方向に向かって貫通した水の浸透経路を形成することができる。親水処理されたカーボン粒子の含有量が、30体積%未満であると撥水層において厚さ方向に向かって貫通した水の浸透経路を十分に形成できない恐れがある。また、70体積%を超えるとガス拡散経路を十分に確保できない恐れがある。撥水層における親水処理されたカーボン粒子の含有量は、元素分析することにより測定できる。   In the water-repellent layer of the present invention, the content of the above-mentioned hydrophilically treated carbon particles is preferably 30 to 70% by volume, more preferably 30 to 50% by volume, particularly preferably the volume of the water-repellent layer. It is good to set it as 30-40 volume%. Thereby, a water permeation path penetrating in the thickness direction can be formed in at least a part of the water repellent layer. If the content of the hydrophilically treated carbon particles is less than 30% by volume, there is a possibility that a water permeation path penetrating in the thickness direction in the water repellent layer cannot be formed sufficiently. Moreover, when it exceeds 70 volume%, there exists a possibility that a gas diffusion path | route cannot fully be ensured. The content of the hydrophilically treated carbon particles in the water repellent layer can be measured by elemental analysis.

本発明のガス拡散層における撥水層は、水の浸透経路が形成された部位以外は、撥水剤にコーティングされてなるカーボン粒子を含む。   The water-repellent layer in the gas diffusion layer of the present invention contains carbon particles coated with a water-repellent agent except for the portion where the water permeation path is formed.

撥水剤にコーティングされてなるカーボン粒子において、カーボン粒子の種類および粒子径については、親水処理されたカーボン粒子において説明したものと同様のものが用いられるため、ここでは詳細な説明を省略する。   In the carbon particles coated with the water repellent, the types and particle diameters of the carbon particles are the same as those described for the hydrophilically treated carbon particles, and thus detailed description thereof is omitted here.

次に、撥水剤にコーティングされてなるカーボン粒子における撥水剤としては、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、ポリヘキサフルオロプロピレン、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体(FEP)などのフッ素系樹脂、ポリプロピレン、ポリエチレンなどが挙げられる。なかでも、疎水性、電極反応時の耐食性などに優れることから、フッ素系樹脂が好ましく用いられる。   Next, as the water repellent agent in the carbon particles coated with the water repellent agent, polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylidene fluoride (PVDF), polyhexafluoropropylene, tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer Fluorine resin such as (FEP), polypropylene, polyethylene and the like. Of these, fluorine resins are preferably used because of their excellent hydrophobicity and corrosion resistance during electrode reaction.

前記撥水層における、カーボン粒子と撥水剤との混合比は、カーボン粒子が多過ぎると水分蒸発能力が低下する恐れがあり、撥水剤が多過ぎると所望の空孔径が得られない恐れがある。これらを考慮して、撥水層における撥水剤にコーティングされてなるカーボン粒子と撥水剤との混合比は、質量比で、90:10〜60:40程度とするのがよい。   In the water repellent layer, the mixing ratio of the carbon particles and the water repellent is such that if there are too many carbon particles, the water evaporation ability may decrease, and if there are too many water repellents, the desired pore size may not be obtained. There is. Considering these, the mixing ratio of the carbon particles coated with the water repellent in the water repellent layer and the water repellent is preferably about 90:10 to 60:40 in terms of mass ratio.

前記撥水層の平均空孔径は、10nm以下とするのが好ましく、より好ましくは1〜10nm、特に好ましくは3〜7nmとするのがよい。撥水層における平均空孔径を10nm以下とすることで、撥水剤にコーティングされてなるカーボン粒子により形成される撥水性の空孔内では水蒸気を凝縮し難くすることができ、ガス拡散経路をより確実に確保することが可能となる。また、親水処理されたカーボン粒子などにより形成された水の浸透経路では水を凝縮し易くすることができ、凝縮した水の表面張力により水の浸透経路におけるガス拡散基材への排水性をより高めることが可能となる。さらに、撥水層において、空孔中の水と空孔壁との相互作用により、凝固点降下現象が生じる。これにより、撥水層内に含まれる水の凝固点を低くさせることができ、外部の温度が氷点下以下となっても水の凍結を抑制することが可能となる。   The average pore diameter of the water repellent layer is preferably 10 nm or less, more preferably 1 to 10 nm, and particularly preferably 3 to 7 nm. By setting the average pore diameter in the water-repellent layer to 10 nm or less, it is possible to make it difficult for water vapor to condense in the water-repellent pores formed by the carbon particles coated with the water-repellent agent. It becomes possible to ensure more reliably. In addition, water can be easily condensed in the water permeation path formed by hydrophilically treated carbon particles, etc., and the surface tension of the condensed water can improve the drainage property to the gas diffusion base material in the water permeation path. It becomes possible to raise. Further, in the water repellent layer, a freezing point lowering phenomenon occurs due to the interaction between the water in the pores and the pore walls. As a result, the freezing point of water contained in the water repellent layer can be lowered, and water freezing can be suppressed even when the external temperature is below freezing point.

前記撥水層における平均空孔径を10nm以下とするには、撥水層に含まれるカーボン粒子の粒子径、撥水剤および親水剤などの含有量を適宜調整するのがよい。また、撥水層の平均空孔径は、水銀圧入法により測定された撥水層の空孔径の平均値とする。   In order to set the average pore diameter in the water repellent layer to 10 nm or less, it is preferable to appropriately adjust the particle diameter of the carbon particles contained in the water repellent layer, and the contents of the water repellent and hydrophilic agent. The average pore diameter of the water repellent layer is the average value of the pore diameter of the water repellent layer measured by the mercury intrusion method.

本発明のガス拡散層に用いられるガス拡散基材としては、従来公知のものであれば特に制限なく用いることができる。具体的には、炭素製の織物、紙状抄紙体、フェルト、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などが挙げられる。より具体機には、カーボンペーパ、カーボンクロス、カーボン不織布などが好ましく挙げられる。前記ガス拡散基材は、市販品を用いることもでき、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。   As a gas diffusion base material used for the gas diffusion layer of the present invention, any conventionally known material can be used without particular limitation. Specifically, a sheet-like material having conductivity and porosity such as a carbon woven fabric, a paper-like paper body, a felt, and a non-woven fabric can be used. More specifically, carbon paper, carbon cloth, carbon non-woven fabric and the like are preferable. A commercial item can also be used for the said gas diffusion base material, For example, Toray Co., Ltd. carbon paper TGP series, E-TEK company carbon cloth, etc. are mentioned.

前記ガス拡散基材の厚さは、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 gas diffusion base material 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.

前記ガス拡散基材には、排水性をより高めてフラッディング現象などを防ぐために撥水剤が含まれているのが好ましい。前記撥水剤としては、特に限定されないが、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、ポリヘキサフルオロプロピレン、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体(FEP)などのフッ素系の高分子材料、ポリプロピレン、ポリエチレンなどが挙げられる。   The gas diffusion base material preferably contains a water repellent in order to further improve drainage and prevent flooding. Although it does not specifically limit as said water repellent, It is fluorine-type, such as a polytetrafluoroethylene (PTFE), a polyvinylidene fluoride (PVDF), a polyhexafluoropropylene, a tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer (FEP). Examples thereof include polymer materials, polypropylene, and polyethylene.

本発明のガス拡散層の製造方法としては、特に制限されず公知の方法を用いることができる。   The method for producing the gas diffusion layer of the present invention is not particularly limited, and a known method can be used.

まず、ガス拡散基材の撥水処理方法としては、一般的な撥水処理方法を用いて行えばよい。撥水剤の水性ディスパージョン溶液またはアルコールディスパージョン溶液に、ガス拡散層に用いられる基材を浸漬した後、オーブン等で加熱乾燥させる方法などが挙げられる。乾燥時の排ガス処理の容易さからは、撥水剤の水性ディスパージョン溶液を用いるのが好ましい。   First, as a water repellent treatment method for a gas diffusion substrate, a general water repellent treatment method may be used. Examples include a method in which a base material used for a gas diffusion layer is immersed in an aqueous dispersion solution or an alcohol dispersion solution of a water repellent, and then heated and dried in an oven or the like. In view of ease of exhaust gas treatment during drying, it is preferable to use an aqueous dispersion solution of a water repellent.

次に、撥水層の作製方法としては、まず、水の浸透経路に親水剤でコーティングされてなるカーボン粒子を用いた場合を例に挙げて説明する。   Next, as a method for producing the water repellent layer, first, a case where carbon particles coated with a hydrophilic agent in the water permeation path are used will be described as an example.

カーボン粒子、撥水剤等を、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、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撥水剤含有スラリーを調製する。次に、撥水剤の代わりに親水剤を用いて、撥水剤含有スラリーの調製と同様にして、親水剤含有スラリーを調製する。   A water repellent-containing slurry is prepared by dispersing carbon particles, a water repellent, and the like in a solvent such as water, alcohol solvents such as perfluorobenzene, dichloropentafluoropropane, methanol, and ethanol. Next, using a hydrophilic agent instead of the water repellent, a hydrophilic agent-containing slurry is prepared in the same manner as the preparation of the water repellent-containing slurry.

上記の通りにして得られた撥水剤含有スラリーおよび親水剤含有スラリーを用いて撥水層を形成するには、(i)撥水剤含有スラリーおよび親水剤含有スラリーを所定の体積比で混合した後、得られた混合スラリーをガス拡散基材上に塗布および乾燥させる方法、(ii)撥水剤含有スラリーおよび親水剤含有スラリーを所定の体積比で混合した後、得られた混合スラリーを一度乾燥させ粉砕することで粉体にし、これをガス拡散基材上に塗布する方法、(iii)撥水剤含有スラリーおよび親水剤含有スラリーをそれぞれ乾燥させ粉砕することで粉体にし、これらを混合した後にガス拡散基材上に塗布する方法、などを用いることができる。これにより、親水剤でコーティングされてなるカーボン粒子からなる水の浸透経路を少なくとも一部に有し、その他の部位は撥水剤にコーティングされてなるカーボン粒子により形成された撥水層が得られる。また、撥水剤含有スラリーおよび親水剤含有スラリーの混合比は、得られる撥水層が所望する水の浸透経路などを有するように適宜決定するとよい。   In order to form a water repellent layer using the water repellent-containing slurry and the hydrophilic agent-containing slurry obtained as described above, (i) the water repellent-containing slurry and the hydrophilic agent-containing slurry are mixed at a predetermined volume ratio. And (ii) mixing the water-repellent-containing slurry and the hydrophilic agent-containing slurry at a predetermined volume ratio, and then mixing the resulting mixed slurry with a predetermined volume ratio. Once dried and pulverized into powder, and this is applied to the gas diffusion substrate, (iii) Each of the water repellent-containing slurry and the hydrophilic agent-containing slurry is dried and pulverized into a powder. The method of apply | coating on a gas diffusion base material after mixing, etc. can be used. As a result, a water-repellent layer formed of carbon particles coated with a water repellent agent at least partially having a water permeation path composed of carbon particles coated with a hydrophilic agent is obtained. . Further, the mixing ratio of the water repellent-containing slurry and the hydrophilic agent-containing slurry may be appropriately determined so that the obtained water repellent layer has a desired water permeation route.

次に、水の浸透経路に空気雰囲気中で熱処理されてなるカーボン粒子を用いる場合の、撥水層の製造方法としては、上記と同様にして調製した撥水剤含有スラリーに、予め空気雰囲気中で熱処理したカーボン粒子を混合した後、得られた混合スラリーをガス拡散基材上に塗布および乾燥させる方法などを用いればよい。また、上記混合スラリーをろ過乾燥後、市販のボールミル等の粉砕機で粉砕し、粉末をガス拡散基材に散布して塗布することも可能である。   Next, in the case of using carbon particles that are heat-treated in an air atmosphere in the water permeation path, the water repellent layer is produced in the same manner as above in a water repellent-containing slurry prepared in the same manner as above. After mixing the heat-treated carbon particles, a method of applying and drying the obtained mixed slurry on the gas diffusion substrate may be used. The mixed slurry may be filtered and dried, then pulverized with a pulverizer such as a commercially available ball mill, and the powder may be dispersed and applied to a gas diffusion substrate.

上述した各方法により得られた撥水層は、マッフル炉や焼成炉を用いて250〜400℃程度で熱処理を施すのが好ましい。これにより、撥水層の強度を高めることができる。   The water repellent layer obtained by each method described above is preferably subjected to heat treatment at about 250 to 400 ° C. using a muffle furnace or a firing furnace. Thereby, the strength of the water repellent layer can be increased.

本発明のガス拡散層における撥水層は、上述したように、簡易な方法により作製することができる。さらに、撥水剤、親水剤、および空気雰囲気中で熱処理されてなるカーボン粒子の添加量などを調整することにより、撥水層におけるガス透過経路および水透過経路の制御も容易に行うことができる。   As described above, the water repellent layer in the gas diffusion layer of the present invention can be produced by a simple method. Furthermore, the gas permeation path and the water permeation path in the water repellent layer can be easily controlled by adjusting the addition amount of the water repellent, the hydrophilic agent, and the carbon particles heat-treated in the air atmosphere. .

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である。本発明の第一のガス拡散層は、上述した通り、水の浸透経路を有することにより、排水性が向上するだけでなく、外部の気温が氷点下以下であってもガス拡散経路を確保することが可能となる。従って、本発明のガス拡散層を燃料電池用MEAとして用いることで、フラッディング現象を防止しつつ、氷点下時など外部の気温が低い条件下であっても短時間での起動を実現することができ、発電性能に優れる燃料電池用MEA(単に「MEA」とも記載する。)を提供することが可能となる。   A second aspect of the present invention is a fuel cell MEA having the gas diffusion layer described above. As described above, the first gas diffusion layer of the present invention not only improves drainage by having a water permeation path, but also ensures a gas diffusion path even when the external temperature is below freezing point. Is possible. Therefore, by using the gas diffusion layer of the present invention as the MEA for fuel cells, it is possible to realize the start-up in a short time even under a low external temperature condition such as below freezing while preventing the flooding phenomenon. It is possible to provide a fuel cell MEA that is excellent in power generation performance (also simply referred to as “MEA”).

本発明のMEAの好適な一実施形態を図2に示す断面模式図を用いて説明する。図2において、MEA200は、固体高分子電解質膜210の両側に、アノード側電極触媒層231およびアノード側ガス拡散層232と、カソード側電極触媒層241およびカソード側ガス拡散層242と、それぞれ配置された構成を有する。   A preferred embodiment of the MEA of the present invention will be described with reference to a schematic cross-sectional view shown in FIG. In FIG. 2, MEA 200 is arranged on both sides of solid polymer electrolyte membrane 210 with anode side electrode catalyst layer 231 and anode side gas diffusion layer 232, cathode side electrode catalyst layer 241 and cathode side gas diffusion layer 242, respectively. Have a configuration.

本発明の第一のガス拡散層は、撥水層と電極触媒層とが接触するように配置する必要がある。これにより、電極触媒層に含まれる過剰な水を撥水層が吸い取り、ガス拡散基材を介して外部へ排出させることができ、電極触媒層内のフラッディング現象を防止することが可能となる。   The first gas diffusion layer of the present invention needs to be disposed so that the water repellent layer and the electrode catalyst layer are in contact with each other. Thus, excess water contained in the electrode catalyst layer can be absorbed by the water repellent layer and discharged to the outside through the gas diffusion base material, and flooding phenomenon in the electrode catalyst layer can be prevented.

MEAの構成は、本発明の第一のガス拡散層を用いる以外は、特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すればよい。従って、アノード側電極触媒層、カソード側電極触媒層、および、固体高分子電解質膜に関する詳細な説明はここでは省略する。   The configuration of the MEA is not particularly limited except that the first gas diffusion layer of the present invention is used, and various conventionally known techniques may be appropriately referred to. Therefore, the detailed description regarding the anode side electrode catalyst layer, the cathode side electrode catalyst layer, and the solid polymer electrolyte membrane is omitted here.

MEAにおいて、本発明の第一のガス拡散層は、アノード側ガス拡散層またはカソード側ガス拡散層の少なくともいずれか一方に用いられればよいが、フラッディング現象、水の凍結などは、MEAの特にカソード側で生じ易いためカソード側ガス拡散層に用いられるのが好ましく、より好ましくはアノード側ガス拡散層およびカソード側ガス拡散層の双方に用いられる。   In the MEA, the first gas diffusion layer of the present invention may be used for at least one of the anode-side gas diffusion layer and the cathode-side gas diffusion layer. Therefore, it is preferably used for both the anode-side gas diffusion layer and the cathode-side gas diffusion layer.

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、上述した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。   The MEA may be produced according to a conventionally known method. For example, a method of hot pressing after forming an electrode catalyst layer on the gas diffusion layer described above, sandwiching the solid polymer electrolyte membrane using two of them, and the like can be mentioned.

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MEAによれば、高電流密度、高加湿などの水が多量に生じ易い運転条件下であってもフラッディング現象を抑制することができ、さらに、氷点下時など外部の気温が低い条件下であってもガス拡散経路を確保して短時間での起動を実現することができ、優れた発電性能を有する燃料電池を提供することが可能となる。   A third aspect of the present invention is a fuel cell using the above-described gas diffusion layer or MEA. According to the above-described gas diffusion layer or MEA of the present invention, the flooding phenomenon can be suppressed even under operating conditions in which a large amount of water such as high current density and high humidification is likely to be generated. Even under low temperature conditions, it is possible to secure a gas diffusion path and realize startup in a short time, and to provide a fuel cell having excellent power generation performance.

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 fuel cell is not particularly limited as long as desired cell characteristics can be obtained, but it is preferably used as a 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、従来一般的なものであれば特に制限なく用いることができる。前記セパレータとしては、緻密カーボングラファイト、炭素板等のカーボン製や、ステンレス等の金属製のものなど、従来公知のものを特に制限なく用いることができる。また、空気と燃料ガス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 any conventional separator can be used without particular limitation. As the separator, conventionally known separators such as those made of carbon such as dense carbon graphite and a carbon plate and those made of metal such as stainless steel can be used without particular limitation. Moreover, in order to ensure the flow path of air and fuel gas, a gas distribution groove | channel may be formed and a conventionally well-known technique can be utilized suitably. 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.

本発明の第四は、親水性カーボン粒子の製造方法である。本発明では、カーボン粒子の親水性について検討した結果、空気雰囲気中で熱処理することによりカーボン粒子表面に親水性を有する酸化被膜が形成され、これにより親水性カーボン粒子が得られることが判明した。かような効果が得られる理由としては、本発明の第一において記載した通りである。   A fourth aspect of the present invention is a method for producing hydrophilic carbon particles. In the present invention, as a result of examining the hydrophilicity of the carbon particles, it was found that an oxide film having hydrophilicity is formed on the surface of the carbon particles by heat treatment in an air atmosphere, whereby hydrophilic carbon particles are obtained. The reason why such an effect is obtained is as described in the first aspect of the present invention.

前記親水性カーボン粒子の製造方法として、具体的には、カーボン粒子を、空気雰囲気下、500〜1500℃で熱処理する工程を含む方法が挙げられる。   Specific examples of the method for producing the hydrophilic carbon particles include a method including a step of heat-treating the carbon particles at 500 to 1500 ° C. in an air atmosphere.

親水性カーボン粒子の製造に用いられるカーボン粒子としては、従来公知なものであればよく、具体的には、本発明の第一における親水剤にコーティングされてなるカーボン粒子において列挙したカーボン粒子と同様のものが用いられる。   The carbon particles used for the production of the hydrophilic carbon particles may be any conventionally known carbon particles, specifically, the same as the carbon particles listed in the carbon particles coated with the hydrophilic agent in the first of the present invention. Is used.

前記カーボン粒子を空気雰囲気下で熱処理することにより、親水性を示す酸化物を含む酸化被膜がカーボン粒子表面に形成される。前記親水性を示す酸化物としては、リン酸ナトリウム(NaPO)などのナトリウムおよびリンを含む酸化物などであることが考えられる。 By heat-treating the carbon particles in an air atmosphere, an oxide film containing a hydrophilic oxide is formed on the carbon particle surfaces. The oxide exhibiting hydrophilicity may be an oxide containing sodium and phosphorus, such as sodium phosphate (NaPO 3 ).

前記熱処理は、好ましくは500〜1500℃、より好ましくは700〜1000℃で、0.5〜1時間程度行えばよい。熱処理温度が、500℃未満であるとカーボン粒子表面に十分な酸化被膜を形成できない恐れがあり、1500℃を超えると、カーボン粒子が全て熱分解する恐れがあるため望ましくない。   The heat treatment is preferably performed at 500 to 1500 ° C., more preferably 700 to 1000 ° C. for about 0.5 to 1 hour. If the heat treatment temperature is less than 500 ° C., a sufficient oxide film may not be formed on the surface of the carbon particles, and if it exceeds 1500 ° C., all the carbon particles may be thermally decomposed, which is not desirable.

前記熱処理は、マッフル炉や焼成炉などの炉内で行ってもよく、水素ガスバーナ、アセチレンガスバーナなどの不活性ガスを燃料とするガスバーナ等を用いて火炎処理によって行ってもよい。   The heat treatment may be performed in a furnace such as a muffle furnace or a firing furnace, or may be performed by flame treatment using a gas burner using an inert gas as a fuel, such as a hydrogen gas burner or an acetylene gas burner.

本発明の方法において、得られる親水性カーボン粒子の親水性をより向上させるために、酸化処理により親水性を発現する物質を形成する元素を予め添加されたカーボン粒子を用いてもよい。すなわち、上記熱処理工程の前に、酸化処理により親水性を発現する物質を形成する元素を予めカーボン粒子に添加する工程を有していてもよい。   In the method of the present invention, in order to further improve the hydrophilicity of the obtained hydrophilic carbon particles, carbon particles previously added with an element that forms a substance that exhibits hydrophilicity by oxidation treatment may be used. That is, before the heat treatment step, a step of previously adding an element that forms a substance that exhibits hydrophilicity by oxidation treatment to the carbon particles may be included.

前記酸化処理により親水性を発現する物質としては、リン酸ナトリウム(NaPO)などのナトリウムおよびリンを含む酸化物の他に、カリウム、リチウムなどのアルカリ金属の酸化物、マグネシウム、カルシウムなどのアルカリ土類金属の酸化物からなる群から選択される少なくとも一種の金属酸化物などが挙げられる。 Examples of the substance which exhibits hydrophilicity by the oxidation treatment include oxides containing sodium and phosphorus such as sodium phosphate (NaPO 3 ), alkali metal oxides such as potassium and lithium, and alkalis such as magnesium and calcium. And at least one metal oxide selected from the group consisting of oxides of earth metals.

従って、カーボン粒子に予め添加する前記元素としては、リン、ナトリウム、カリウム、リチウムなどのアルカリ金属、マグネシウム、カルシウムなどのアルカリ土類金属などの、前記金属酸化物を構成する金属の元素が挙げられる。これらの金属の元素であれば、空気雰囲気中の熱処理などの酸化処理により酸化されて、親水性を発現する物質を形成することができる。前記金属の元素は、一種のみを添加してもよく、得られる親水性カーボン粒子の親水性を考慮して二種以上を添加してもよい。また、前記金属の元素は、塩化ナトリウム(NaCl)、リン石灰(CaF(PO)など、前記金属の元素を含む化合物としてカーボン粒子に予め添加されてもよい。 Therefore, examples of the element added in advance to the carbon particles include metal elements constituting the metal oxide, such as alkali metals such as phosphorus, sodium, potassium, and lithium, and alkaline earth metals such as magnesium and calcium. . These metal elements can be oxidized by an oxidation treatment such as a heat treatment in an air atmosphere to form a substance that exhibits hydrophilicity. As the metal element, only one kind may be added, or two or more kinds may be added in consideration of the hydrophilicity of the obtained hydrophilic carbon particles. The metal element may be added in advance to the carbon particles as a compound containing the metal element, such as sodium chloride (NaCl) or phosphorous lime (Ca 5 F (PO 4 ) 3 ).

前記金属の元素をカーボン粒子に添加する方法としては、従来公知の方法を適宜用いればよい。例えば、前記金属の元素を含む溶液をカーボン粒子に含浸させる方法などが用いられる。   As a method of adding the metal element to the carbon particles, a conventionally known method may be appropriately used. For example, a method of impregnating carbon particles with a solution containing the metal element is used.

前記金属の元素を含む溶液は、上述した金属酸化物を構成する金属の元素を含む化合物を溶媒に添加した後、攪拌、加熱などすることにより調製できる。前記化合物としては、例えば、塩化ナトリウム(NaCl)、リン石灰(CaF(PO)などが挙げられる。 The solution containing the metal element can be prepared by adding the compound containing the metal element constituting the metal oxide described above to the solvent, and then stirring and heating. Examples of the compound include sodium chloride (NaCl) and phosphorous lime (Ca 5 F (PO 4 ) 3 ).

前記金属の元素を含む溶液に用いられる溶媒としては、特に制限されないが、水および/または有機溶媒などが用いられる。前記有機溶媒としては、特に限定されず、エタノール、メタノール、プロパノールなどが挙げられ、これらは1種単独で使用してもよいし2種以上を混合して使用してもよい。   The solvent used in the solution containing the metal element is not particularly limited, and water and / or an organic solvent is used. It does not specifically limit as said organic solvent, Ethanol, methanol, propanol, etc. are mentioned, These may be used individually by 1 type and may be used in mixture of 2 or more types.

前記金属の元素を含む溶液をカーボン粒子に含浸させるには、前記溶液にカーボン粒子を分散させた後、十分に攪拌などすることにより行うことができる。   The carbon particles can be impregnated with the solution containing the metal element by dispersing the carbon particles in the solution and then sufficiently stirring.

攪拌手段としては、ホモジナイザー、超音波スターラー等の従来公知の方法を用いればよく、これらの攪拌手段は適宜組み合わせてもよい。また、必要に応じて超音波照射や減圧脱泡により前記溶液をカーボン粒子の細部にまで浸透させる手段をさらに加えても良い。   As the stirring means, a conventionally known method such as a homogenizer or an ultrasonic stirrer may be used, and these stirring means may be appropriately combined. Further, if necessary, means for allowing the solution to penetrate into the details of the carbon particles by ultrasonic irradiation or vacuum degassing may be further added.

カーボン粒子に予め添加する酸化処理により親水性を発現する物質を形成する元素の添加量としては、特に制限されないが、カーボン粒子に対して、5〜50質量%、好ましくは10〜30質量%とするのがよい。前記添加量が、5質量%未満であると前記元素を予め添加することにより得られる効果が微小となる恐れがあり、50質量%を超えると熱伝導性が低下する恐れがある。前記添加量を上記範囲内とするには、前記金属の元素を含む溶液における前記金属の元素の濃度、前記金属の元素を含む溶液をカーボン粒子に含浸させる量などを適宜調整するとよい。   The addition amount of the element that forms a substance that exhibits hydrophilicity by the oxidation treatment added in advance to the carbon particles is not particularly limited, but is 5 to 50% by mass, preferably 10 to 30% by mass with respect to the carbon particles. It is good to do. If the addition amount is less than 5% by mass, the effect obtained by adding the element in advance may be small, and if it exceeds 50% by mass, the thermal conductivity may decrease. In order to make the addition amount within the above range, the concentration of the metal element in the solution containing the metal element, the amount of the carbon particle impregnated with the solution containing the metal element, and the like may be appropriately adjusted.

その後、前記金属の元素を含む溶液を含浸させたカーボン粒子を、吸引瀘過など公知の瀘別手段等を用いてろ別し、上述した空気雰囲気中での熱処理を行えばよい。   Thereafter, the carbon particles impregnated with the solution containing the metal element may be filtered using a known separation means such as suction filtration, and the heat treatment in the air atmosphere described above may be performed.

また、前記金属の元素を含む溶液を含浸させたカーボン粒子は、吸引瀘過の他に、前記金属の元素を含む溶液とカーボン粒子との混合液をロータリーエバポレータ等で適当に攪拌等しながら加熱する方法などを用いて、前記混合液に含まれる溶媒を除去することによっても、前記金属の元素が予め添加されたカーボン粒子を得ることができる。   Further, the carbon particles impregnated with the solution containing the metal element are heated while appropriately stirring the mixed solution of the solution containing the metal element and the carbon particles with a rotary evaporator or the like in addition to suction filtration. The carbon particles to which the metal element has been added in advance can also be obtained by removing the solvent contained in the mixed solution by using a method such as the above.

前記金属の元素をカーボン粒子に添加する方法は、前記金属の元素を含む溶液を用いた上記方法に限定されず、この他にも、加熱蒸着法、エレクトロンビーム、スパッタリング、イオンプレーティングなどの物理蒸着法等、従来公知の方法を適宜参照して用いることができる。   The method of adding the metal element to the carbon particles is not limited to the above method using the solution containing the metal element, and other physical methods such as heating vapor deposition, electron beam, sputtering, ion plating, etc. Conventionally known methods such as vapor deposition can be referred to as appropriate.

本発明の方法によれば、簡易な方法によりカーボン粒子表面を親水性に改質することができる。前記方法により得られる親水性カーボン粒子は、本発明の第一のガス拡散層に含まれる撥水層において親水処理されたカーボン粒子として用いることができる。この他にも、前記方法により得られる親水性カーボン粒子は、導電性を有する親水性カーボンであり、水を保持する能力を有していることから、燃料電池用電極触媒層に用いられる電極触媒のカーボン担体などにも好適に用いられる。   According to the method of the present invention, the carbon particle surface can be modified to be hydrophilic by a simple method. The hydrophilic carbon particles obtained by the above method can be used as carbon particles that have been subjected to hydrophilic treatment in the water-repellent layer included in the first gas diffusion layer of the present invention. In addition, since the hydrophilic carbon particles obtained by the above method are conductive hydrophilic carbon and have the ability to retain water, the electrode catalyst used for the electrode catalyst layer for fuel cells is used. It is also suitably used for the carbon support of the above.

以下、本発明を実施例を用いてより具体的に説明する。なお、本発明が下記実施例に限定されることはない。   Hereinafter, the present invention will be described more specifically with reference to examples. In addition, this invention is not limited to the following Example.

(実施例1)
(1)ガス拡散基材の撥水処理
ガス拡散基材としてカーボンペーパ(東レ株式会社製 TGP−H−060、厚さ180μm)を用い、これを100mm×100mm角に打ち抜いた後、PTFEの水性ディスパージョン溶液(ダイキン工業社製 D1、PTFE60質量%含有)を純水で所定の濃度に希釈した溶液中に2分間浸漬させた後、オーブン内にて60℃、10分間乾燥させることにより、ガス拡散基材の撥水処理を行った。このとき、カーボンペーパ中のPTFE含有量は20質量%であった。
Example 1
(1) Water repellent treatment of gas diffusion base material Carbon paper (TGP-H-060 manufactured by Toray Industries, Inc., thickness 180 μm) was used as the gas diffusion base material, and after punching it into 100 mm × 100 mm square, PTFE aqueous A dispersion solution (D1 manufactured by Daikin Industries, Ltd., containing 60% by mass of PTFE) was immersed in a solution diluted to a predetermined concentration with pure water for 2 minutes, and then dried in an oven at 60 ° C. for 10 minutes to give a gas. The diffusion substrate was subjected to a water repellent treatment. At this time, the PTFE content in the carbon paper was 20% by mass.

(2)撥水層の作製
まず、カーボンブラック(製品名Vulcan XC72R、平均粒子径0.7μm)と、上記工程(1)と同じPTFEの水性ディスパージョン溶液、および水を、カーボンブラックとPTFEとが質量比で80:20となるようにし、ホモジナイザーにて3時間混合分散してスラリー化することにより、PTFE含有スラリーを得た。次に、カーボンブラック(製品名Vulcan XC72R、平均粒子径0.7μm)と、Nafion溶液(登録商標 DuPont社製 DE520、Nafion含量5wt%)、および2−プロパノールを、カーボン粒子とNafionとが質量比で80:20となるようにし、ホモジナイザーにて3時間混合分散してスラリー化することにより、Nafion含有スラリーを得た。
(2) Production of water-repellent layer First, carbon black (product name Vulcan XC72R, average particle diameter 0.7 μm), the same aqueous PTFE dispersion solution as in the above step (1), and water were mixed with carbon black and PTFE. Was mixed and dispersed with a homogenizer for 3 hours to form a slurry, thereby obtaining a PTFE-containing slurry. Next, carbon black (product name Vulcan XC72R, average particle diameter 0.7 μm), Nafion solution (registered trademark DuPont DE520, Nafion content 5 wt%), and 2-propanol are mixed in a mass ratio of carbon particles to Nafion. The mixture was dispersed and slurried with a homogenizer for 3 hours to obtain a Nafion-containing slurry.

PTFE含有スラリーおよびNafion含有スラリーを、体積比で30:70としてホモジナイザーにて1時間混合し、得られた混合スラリー1を、先に撥水処理したガス拡散基材上にバーコーターを用いて塗布後、オーブン内にて80℃、1時間乾燥させた後、さらに、マッフル炉にて350℃、1時間焼成を行った。これにより、少なくとも一部に水の浸透経路を有する撥水層をガス拡散基材上に作製した。なお、撥水層は、厚さ50μm、面積100mm×100mm、Nafionによりコーティングされたカーボン粒子の含有量は30体積%、平均空孔径100nmであった。   PTFE-containing slurry and Nafion-containing slurry were mixed at a volume ratio of 30:70 for 1 hour with a homogenizer, and the resulting mixed slurry 1 was applied onto a gas diffusion substrate that had been previously water-repellent treated using a bar coater. After drying in an oven at 80 ° C. for 1 hour, firing was further performed at 350 ° C. in an muffle furnace for 1 hour. As a result, a water repellent layer having a water permeation route at least in part was produced on the gas diffusion substrate. The water repellent layer had a thickness of 50 μm, an area of 100 mm × 100 mm, the content of carbon particles coated with Nafion was 30% by volume, and the average pore diameter was 100 nm.

(実施例2)
カーボンブラック(製品名Vulcan XC72R、平均粒子径0.7μm)を、マッフル炉内で、空気雰囲気中、700℃で、1時間、熱処理することにより、表面に酸化被膜が形成された親水性カーボン粒子1を得た。前記親水性カーボン粒子1を、実施例1の工程(2)で調製したのと同様のPTFE含有スラリーに、PTFE含有カーボン粒子と前記親水性カーボン粒子との体積比が30:70となるようにして、ホモジナイザーにて3時間混合分散し、混合スラリー2を得た。
(Example 2)
Hydrophilic carbon particles with an oxide film formed on the surface by heat treatment of carbon black (product name Vulcan XC72R, average particle size 0.7 μm) in a muffle furnace at 700 ° C. for 1 hour in an air atmosphere 1 was obtained. The hydrophilic carbon particles 1 are added to the same PTFE-containing slurry prepared in the step (2) of Example 1 so that the volume ratio of the PTFE-containing carbon particles to the hydrophilic carbon particles is 30:70. Then, the slurry was mixed and dispersed with a homogenizer for 3 hours to obtain a mixed slurry 2.

得られた混合スラリー2を、混合スラリー1の代わりに用いた以外は、実施例1と同様にして、先に撥水処理したガス拡散基材上に塗布後、乾燥および焼成を行うことにより、少なくとも一部に水の浸透経路を有する撥水層をガス拡散基材上に作製した。なお、撥水層は、厚さ50μm、面積100mm×100mm、親水性カーボン粒子の含有量は30体積%、平均空孔径100nmであった。   Except that the obtained mixed slurry 2 was used instead of the mixed slurry 1, in the same manner as in Example 1, after applying onto the gas diffusion substrate that had been subjected to the water-repellent treatment previously, drying and firing, A water repellent layer having a water permeation route at least partially was prepared on the gas diffusion substrate. The water repellent layer had a thickness of 50 μm, an area of 100 mm × 100 mm, the content of hydrophilic carbon particles was 30% by volume, and the average pore diameter was 100 nm.

(実施例3)
化合物として塩化ナトリウム(NaCl)とリン石灰(CaF(PO)とをそれぞれ5gずつ、ベンゼン500mlに添加した後、得られた混合液の温度を80℃として攪拌することによりNaおよびPを含む溶液を調製した。前記溶液500mlに、カーボンブラック(製品名Vulcan XC72R、平均粒子径0.7μm)を5gを添加した後、ホモジナイザーにて1時間攪拌し、ろ過することにより、前記溶液を含浸したカーボンブラックを得た。前記溶液を含浸したカーボンブラックを、マッフル炉内で、空気雰囲気中、700℃で、1時間、熱処理することにより、表面に酸化被膜が形成された親水性カーボン粒子2を得た。前記親水性カーボン粒子2を、実施例1の工程(2)で調製したのと同様のPTFE含有スラリーに、PTFE含有カーボン粒子と前記親水性カーボン粒子との体積比が30:70となるようにして、ホモジナイザーにて3時間混合分散し、混合スラリー3を得た。
(Example 3)
After adding 5 g each of sodium chloride (NaCl) and phosphorous lime (Ca 5 F (PO 4 ) 3 ) as compounds to 500 ml of benzene, the mixture was stirred at a temperature of 80 ° C. to obtain Na and A solution containing P was prepared. After adding 5 g of carbon black (product name Vulcan XC72R, average particle size 0.7 μm) to 500 ml of the solution, the mixture was stirred for 1 hour with a homogenizer and filtered to obtain carbon black impregnated with the solution. . The carbon black impregnated with the solution was heat-treated in a muffle furnace in an air atmosphere at 700 ° C. for 1 hour to obtain hydrophilic carbon particles 2 having an oxide film formed on the surface. The hydrophilic carbon particles 2 are added to the same PTFE-containing slurry prepared in the step (2) of Example 1 so that the volume ratio of the PTFE-containing carbon particles to the hydrophilic carbon particles is 30:70. Then, the mixture was dispersed for 3 hours with a homogenizer to obtain a mixed slurry 3.

得られた混合スラリー3を、混合スラリー1の代わりに用いた以外は、実施例1と同様にして、先に撥水処理したガス拡散基材上に塗布後、乾燥および焼成を行うことにより、少なくとも一部に水の浸透経路を有する撥水層をガス拡散基材上に作製した。なお、撥水層は、厚さ50μm、面積100mm×100mm、親水性カーボン粒子の含有量は30体積%、平均空孔径100nmであった。   Except that the obtained mixed slurry 3 was used in place of the mixed slurry 1, in the same manner as in Example 1, after applying on the gas diffusion substrate that had been subjected to the water-repellent treatment previously, drying and firing, A water repellent layer having a water permeation route at least partially was prepared on the gas diffusion substrate. The water repellent layer had a thickness of 50 μm, an area of 100 mm × 100 mm, the content of hydrophilic carbon particles was 30% by volume, and the average pore diameter was 100 nm.

(実施例4)
PTFE含有スラリーおよびNafion含有スラリーに用いたカーボンブラック(製品名Vulcan XC72R、平均粒子径0.7μm)を、遊星ボールミルにより予め粉砕し、平均粒子径0.2μmとしたものを用いた以外は実施例1と同様にして、少なくとも一部に水の浸透経路を有する撥水層をガス拡散基材上に作製した。なお、撥水層は、厚さ50μm、面積100mm×100mm、Nafionによりコーティングされたカーボン粒子の含有量は30体積%、平均空孔径8nmであった。
Example 4
Example except that carbon black (product name Vulcan XC72R, average particle size 0.7 μm) used for the PTFE-containing slurry and Nafion-containing slurry was previously pulverized with a planetary ball mill to an average particle size of 0.2 μm. In the same manner as in No. 1, a water-repellent layer having a water permeation route at least partially was prepared on the gas diffusion substrate. The water repellent layer had a thickness of 50 μm, an area of 100 mm × 100 mm, the content of carbon particles coated with Nafion was 30% by volume, and the average pore diameter was 8 nm.

(比較例1)
まず、カーボンブラック(製品名Vulcan XC72R、平均粒子径0.7μm)と、実施例1の工程(1)と同じPTFEの水性ディスパージョン溶液、および水を、カーボンブラックとPTFEとが質量比で80:20となるようにし、ホモジナイザーにて3時間混合分散してスラリー化することにより、PTFE含有スラリーを得た。前記PTFE含有スラリーを、実施例1と同様にして先に撥水処理したガス拡散基材上にバーコーターを用いて塗布後、オーブン内にて80℃、1時間乾燥させた後、さらに、マッフル炉にて350℃、1時間焼成を行うことにより、PTFEおよびカーボン粒子からなる撥水層をガス拡散基材上に作製した。なお、撥水層は、厚さ50μm、面積100mm×100mm、平均空孔径100nmであった。
(Comparative Example 1)
First, carbon black (product name Vulcan XC72R, average particle diameter 0.7 μm), the same PTFE aqueous dispersion solution as in step (1) of Example 1, and water, and carbon black and PTFE in a mass ratio of 80. : PTFE-containing slurry was obtained by mixing and dispersing in a homogenizer for 3 hours to form a slurry. The PTFE-containing slurry was applied using a bar coater on the gas diffusion substrate previously treated for water repellency in the same manner as in Example 1, then dried in an oven at 80 ° C. for 1 hour, and then further muffled. A water repellent layer composed of PTFE and carbon particles was produced on a gas diffusion substrate by firing at 350 ° C. for 1 hour in a furnace. The water repellent layer had a thickness of 50 μm, an area of 100 mm × 100 mm, and an average pore diameter of 100 nm.

(評価)
実施例1〜4および比較例1で作製したガス拡散層の評価は、各ガス拡散層を用いて作製したMEAの発電特性を測定することにより行った。
(Evaluation)
The gas diffusion layers produced in Examples 1 to 4 and Comparative Example 1 were evaluated by measuring the power generation characteristics of MEAs produced using the respective gas diffusion layers.

(1)MEAの作製
1.電極触媒層の作製
白金担持カーボン(田中貴金属工業株式会社製 TEC10E50E、白金含量46.5wt%)10g、Nafion溶液(登録商標 DuPont社製 DE520、Nafion含量5wt%)90g、純水25g、2−プロパノール(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、触媒インクとした。
(1) Production of MEA Preparation of Electrode Catalyst Layer Platinum-supported carbon (TEC10E50E manufactured by Tanaka Kikinzoku Kogyo Co., Ltd., platinum content 46.5 wt%) 10 g, Nafion solution (registered trademark DuPont DE520, Nafion content 5 wt%) 90 g, pure water 25 g, 2-propanol 10 g (special grade reagent manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) was mixed and dispersed for 3 hours using a homogenizer in a glass container in a water bath set to be kept at 20 ° C. to obtain a catalyst ink.

厚さ200μmのPTFE製シート(ニチアス社製ナフロン(登録商標)シート)の片面上に、スクリーンプリンターを用いて先に調製した触媒インクを塗布し、オーブン中で100℃、30分間乾燥させた後、一辺100mmの正方形に切り出した。   After applying the catalyst ink prepared previously using a screen printer on one side of a 200 μm thick PTFE sheet (Naflon (registered trademark) sheet manufactured by NICHIAS) and drying in an oven at 100 ° C. for 30 minutes And cut into a 100 mm square.

2.MEAおよび単セルの組立て
一辺150mmの正方形で厚さ30μmの固体高分子電解質膜(DuPont社製 Nafion NR−112)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対向するように重ねて、片側PTFE製シートあたり3MPaの圧力で、130℃、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膜への電極触媒層の転写率が100%で、電極触媒層面積1cmあたりの白金重量が0.40mgであった。また、電極触媒層の厚さは、それぞれ10μmであった。
2. Assembly of MEA and single cell Electrocatalyst of two sheets of PTFE sheet formed earlier, sandwiching a solid polymer electrolyte membrane (Nafion NR-112 made by DuPont) with a square of 150 mm on each side and a thickness of 30 μm The electrode catalyst layer is placed on the solid polymer electrolyte membrane by stacking so that the layer forming sides face each other, hot-pressing at 130 ° C. for 10 minutes at a pressure of 3 MPa per one side PTFE sheet, and peeling off only the PTFE sheet after cooling. Transfer was performed to obtain a joined body. At this time, the transfer rate of the electrode catalyst layer from the PTFE sheet to the solid polymer electrolyte membrane was 100%, and the weight of platinum per 1 cm 2 of the electrode catalyst layer area was 0.40 mg. Moreover, the thickness of the electrode catalyst layer was 10 μm, respectively.

得られた接合体を、先に作製したガス拡散層を2枚用いて撥水層が対向するようにして挟んで重ねてMEAとし、これをグラファイト製セパレータで挟持し、さらに金メッキしたステンレス製集電板で挟持して、評価用単セルとした。   The obtained joined body is sandwiched by using two gas diffusion layers prepared in advance so that the water-repellent layer faces each other to form an MEA, which is sandwiched between graphite separators, and further gold-plated stainless steel collection. A single cell for evaluation was obtained by sandwiching with an electric plate.

(2)評価
各評価用単セルのアノードに水素、カソードに空気を用いて、ガス流量アノード/カソードS.R.=1.5/2.5、相対湿度アノード100%R.H./カソード100%R.H.、セル温度70℃、で発電を行った。なお、「S.R.」(Stoichiometric Ratio)とは、所定量の電流を流すために必要な水素または酸素の量の比率を意味し、「アノードS.R.=1.5」とは、所定量の電流を流すために必要な水素量の1.5倍の流量で水素を流すことを意味する。この時の単セルの電流密度に対する出力電圧を測定した。評価結果を図3に示す。
(2) Evaluation Using hydrogen for the anode and air for the cathode of each single cell for evaluation, gas flow rate anode / cathode SR = 1.5 / 2.5, relative humidity anode 100% RH / cathode Power generation was performed at 100% RH and a cell temperature of 70 ° C. “S.R.” (Stoichiometric Ratio) means the ratio of the amount of hydrogen or oxygen required to flow a predetermined amount of current, and “anode S.R. = 1.5” This means that hydrogen is supplied at a flow rate 1.5 times the amount of hydrogen necessary for supplying a predetermined amount of current. The output voltage with respect to the current density of the single cell at this time was measured. The evaluation results are shown in FIG.

上記発電条件は、相対湿度をアノード100%R.H./カソード100%R.H.としてフラッディングが起きやすい条件となっているが、実施例1〜4のガス拡散層を用いたMEAは生成水が多量に生じる高電流密度まで電圧が高く、撥水層が水の浸透経路を有することにより生成水の排水が促進されていることがわかる。これに対し、比較例1は、高電流密度でフラッディングによる電圧低下が見られる。   The power generation conditions are such that flooding is likely to occur when the relative humidity is 100% RH anode / 100% RH cathode, but the MEA using the gas diffusion layers of Examples 1 to 4 is generated. It can be seen that the drainage of the generated water is promoted because the voltage is high up to a high current density at which a large amount of water is generated, and the water repellent layer has a water permeation path. In contrast, Comparative Example 1 shows a voltage drop due to flooding at a high current density.

本発明のガス拡散層によれば、フラッディング現象を抑制することができ、かつ、氷点下における起動性に優れた燃料電池を実現することが可能となり得る。   According to the gas diffusion layer of the present invention, it is possible to realize a fuel cell that can suppress the flooding phenomenon and is excellent in startability below freezing point.

本発明のガス拡散層の模式図である。It is a schematic diagram of the gas diffusion layer of this invention. 本発明の好適な一実施形態であるMEAの断面模式図を示す。The cross-sectional schematic diagram of MEA which is one suitable embodiment of this invention is shown. 実施例1〜4および比較例1のガス拡散層を用いたMEAの評価結果を示す。The evaluation result of MEA using the gas diffusion layer of Examples 1-4 and Comparative Example 1 is shown.

符号の説明Explanation of symbols

110…ガス拡散基材、120…撥水層、121…撥水剤にコーティングされてなるカーボン粒子、122…親水処理されたカーボン粒子、200…MEA、210…固体高分子電解質膜、231…アノード側電極触媒層、232…アノード側ガス拡散層、241…カソード側電極触媒層、242…カソード側ガス拡散層。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 110 ... Gas diffusion base material, 120 ... Water-repellent layer, 121 ... Carbon particle coated with water-repellent agent, 122 ... Carbon particle subjected to hydrophilic treatment, 200 ... MEA, 210 ... Solid polymer electrolyte membrane, 231 ... Anode Side electrode catalyst layer, 232... Anode side gas diffusion layer, 241... Cathode side electrode catalyst layer, 242.

Claims (10)

ガス拡散基材上に撥水層を有するガス拡散層において、
前記撥水層の少なくとも一部に、水の浸透経路を有するガス拡散層。
In the gas diffusion layer having a water repellent layer on the gas diffusion substrate,
A gas diffusion layer having a water permeation path in at least a part of the water repellent layer.
前記水の浸透経路は、親水処理されたカーボン粒子からなる請求項1記載のガス拡散層。   The gas diffusion layer according to claim 1, wherein the water permeation path is made of carbon particles subjected to hydrophilic treatment. 前記親水処理されたカーボン粒子が、親水剤にコーティングされてなるカーボン粒子である請求項2記載のガス拡散層。   The gas diffusion layer according to claim 2, wherein the hydrophilically treated carbon particles are carbon particles coated with a hydrophilic agent. 前記親水処理されたカーボン粒子が、空気雰囲気中で熱処理されてなるカーボン粒子である請求項2記載のガス拡散層。   The gas diffusion layer according to claim 2, wherein the hydrophilically treated carbon particles are carbon particles that are heat-treated in an air atmosphere. 前記撥水層における前記親水処理されたカーボン粒子の含有量が、30〜70体積%である請求項2〜4のいずれかに記載のガス拡散層。   The gas diffusion layer according to any one of claims 2 to 4, wherein a content of the carbon particles subjected to the hydrophilic treatment in the water repellent layer is 30 to 70% by volume. 前記撥水層の平均空孔径が、10nm以下である請求項1〜5のいずれかに記載のガス拡散層。   The gas diffusion layer according to any one of claims 1 to 5, wherein an average pore diameter of the water repellent layer is 10 nm or less. 請求項1〜6のいずれかに記載のガス拡散層を用いた燃料電池用MEA。   A fuel cell MEA using the gas diffusion layer according to claim 1. 請求項1〜6のいずれかに記載のガス拡散層、または、請求項7記載の燃料電池用MEAを用いた燃料電池。   A fuel cell using the gas diffusion layer according to claim 1 or the MEA for fuel cell according to claim 7. カーボン粒子を、空気雰囲気下、500〜1500℃で熱処理する工程を含む親水性カーボン粒子の製造方法。   A method for producing hydrophilic carbon particles, comprising a step of heat-treating the carbon particles at 500 to 1500 ° C. in an air atmosphere. 酸化処理により親水性を発現する物質を形成する元素を、予め前記カーボン粒子に添加する工程を含む請求項9記載の親水性カーボン粒子の製造方法。   The manufacturing method of the hydrophilic carbon particle of Claim 9 including the process of adding the element which forms the substance which expresses hydrophilicity by an oxidation process to the said carbon particle previously.
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