JP2008181834A - Manufacturing method of fuel cell diffusion layer, fuel cell diffusion layer, and fuel cell - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料電池拡散層の製造方法、燃料電池拡散層および燃料電池に関する。詳細には、燃料電池拡散層基材を撥水処理溶液により疎水化させる工程を含む燃料電池拡散層の製造方法、該製造方法により製造される燃料電池拡散層、さらに該燃料電池拡散層を用いて製造される燃料電池に関する。 The present invention relates to a method for manufacturing a fuel cell diffusion layer, a fuel cell diffusion layer, and a fuel cell. Specifically, a method for producing a fuel cell diffusion layer comprising a step of hydrophobizing a fuel cell diffusion layer substrate with a water repellent treatment solution, a fuel cell diffusion layer produced by the production method, and further using the fuel cell diffusion layer The present invention relates to a fuel cell manufactured in this way.
一般的な燃料電池の構成の概略について説明する。図3に例示したように、電解質膜12の一方の面にカソード触媒層14(カソード極触媒層または酸化極触媒層ともいう)と、もう一方の面にアノード触媒層16(アノード極触媒層または燃料極触媒層ともいう)とを電解質膜12を挟んで対向するように設け、さらにカソード触媒層14の外側にカソード拡散層18(カソード極拡散層または酸化極拡散層ともいう)を、またアノード触媒層16の外側にアノード拡散層20(アノード極拡散層または燃料極拡散層ともいう)を、それぞれ設け、いわゆる膜電極接合体(MEA)40が構成されている。
A general configuration of a general fuel cell will be described. As illustrated in FIG. 3, the cathode catalyst layer 14 (also referred to as a cathode electrode catalyst layer or an oxidation electrode catalyst layer) is formed on one surface of the
図3において、カソード拡散層18の外側には、酸化ガス流路26および図示しないセル冷媒流路が形成されたカソード側セパレータ22が、アノード拡散層20の外側には、燃料ガス流路28および図示しないセル冷媒流路が形成されたアノード側セパレータ24が、MEA40の両面を挟持するようにそれぞれ設けられ、図示しない接着剤などにより一体化されて、単位セル10が形成される。このような単位セル10を複数枚積層させることにより、所望の出力性能を有する燃料電池を製造することができる。
In FIG. 3, a
図3に示した単位セル10において、電解質膜12が、燃料電池として所定の機能を発揮するためには、プロトン導電性電解質膜として機能することが要求されるが、そのためには、少なくとも所定の水分量以上を維持することが必要である。このため、例えば予め所定の水分量に加湿させた燃料ガスおよび/または酸化ガス(これらを反応ガスともいう)を単位セル10内に供給する等により、電解質膜12の水分量を維持することが一般に行なわれている。
In the
一方、酸化極および燃料極にそれぞれ設けられたカソード触媒層18およびアノード触媒層20は、一般にカーボンペーパーやカーボンクロスなど、シート状に成形されたカーボン繊維を基材とし、所望の通気性や導電性を確保するとともに、触媒層や拡散層内での水分の滞留によるフラッディングを防止するために、ポリテトラエチレン(PTFE)等の疎水性バインダにより処理して疎水性を付与し、排水性を高めたものが好適に使用されている。また、疎水性バインダの添加に伴う導電性の低下を防止するために、必要に応じてカーボンブラックや黒鉛等の導電性粒子を併用する場合もある。
On the other hand, the
各拡散層の作製方法としては種々の方法があるが、例えば、疎水性バインダや導電性粒子と、必要に応じて用いられる、界面活性剤等の分散媒とを、水やアルコールなどの水性媒体に分散させた分散液またはペーストを、シート状に成形されたカーボン繊維の片面または両面に塗布し、乾燥させて、カーボン繊維に疎水性バインダや導電性粒子を定着させ、その後、焼成し、疎水性バインダを溶融結着させるとともに分散媒を熱分解する方法が従来採られてきた。 There are various methods for producing each diffusion layer. For example, a hydrophobic binder or conductive particles, and a dispersion medium such as a surfactant used as necessary, an aqueous medium such as water or alcohol. The dispersion or paste dispersed in is applied to one or both sides of the carbon fiber formed into a sheet shape, and dried to fix the hydrophobic binder or conductive particles on the carbon fiber, and then fired to make the hydrophobic Conventionally, a method of melting and binding a functional binder and thermally decomposing a dispersion medium has been employed.
しかし、拡散層基材に対する疎水性バインダの付着は通常、基材の濡れ性に依存する。このため、例えば図4において楕円で囲んだような表面積の大きい部分、つまり複数の繊維が絡み合っている部分に集中して付着する傾向にある。なお、拡散層基材中において、疎水性バインダの分布は概ね導電性粒子の分布と対応しており、また疎水性バインダ18bは焼成により不定形である。このため、図4では、疎水性バインダ18bのばらつきの象徴として、疎水性バインダ18bが導電性粒子18cに付着して一体化した粒子または分散物18dであるとして図示し、疎水性バインダ18bおよび導電性粒子18cの個別の分布については省略して示している。
However, the adhesion of the hydrophobic binder to the diffusion layer substrate usually depends on the wettability of the substrate. For this reason, for example, there is a tendency to concentrate and adhere to a portion having a large surface area as enclosed by an ellipse in FIG. 4, that is, a portion where a plurality of fibers are intertwined. In the diffusion layer base material, the distribution of the hydrophobic binder generally corresponds to the distribution of the conductive particles, and the
また、塗布液の粘度が低い場合には、塗布液中に分散されている撥水性バインダや導電性粒子などが乾燥時に移動する、いわゆるマイグレーションと称される現象が生じることにより、さらに基材に対する分布にバラつきが生じる場合がある。したがって、例えば疎水性を有する炭素繊維などを拡散層基材として使用した場合など、拡散層基材に対する疎水性バインダ含有分散液の濡れ性が良好でない場合には、拡散層において疎水性バインダの分布にムラが生じ、触媒層や拡散層内でのフラッディングが発生するおそれがあった。また、場合によっては触媒層や拡散層内の水分が過度に排出されて電解質膜が乾燥してしまい、プロトン導電性が失われることにより電池性能が低下する、いわゆるドライアップが発生するおそれもあった。 Further, when the viscosity of the coating liquid is low, a phenomenon called so-called migration occurs in which the water-repellent binder or the conductive particles dispersed in the coating liquid move during drying, and further to the substrate. The distribution may vary. Therefore, when the wettability of the hydrophobic binder-containing dispersion with respect to the diffusion layer substrate is not good, for example, when carbon fibers having hydrophobicity are used as the diffusion layer substrate, the distribution of the hydrophobic binder in the diffusion layer As a result, unevenness may occur and flooding may occur in the catalyst layer or the diffusion layer. Also, in some cases, moisture in the catalyst layer or diffusion layer is excessively discharged, and the electrolyte membrane is dried, so that the so-called dry-up, in which the battery performance deteriorates due to the loss of proton conductivity, may occur. It was.
さらに、疎水性バインダの分布にムラが生じると、燃料電池の長期の使用により、場合によっては導電性粒子の脱落が生じてしまう可能性もあった。導電性粒子の脱落が生じてしまうと、導電性の低下により出力が低下してしまうおそれがあり、さらに疎水性バインダの剥離まで発生してしまうと、排水性の低下によりフラッディングが発生してしまい、電池性能に顕著な不具合が生じる要因ともなり得る。このため、拡散層における疎水性バインダおよび/または導電性粒子の、長期にわたる均一な分布は、燃料電池の耐久性に関する要件の1つともなっている。 Furthermore, when the distribution of the hydrophobic binder is uneven, there is a possibility that the conductive particles may drop off in some cases due to long-term use of the fuel cell. If the conductive particles fall off, the output may decrease due to a decrease in conductivity, and if the hydrophobic binder is peeled off, flooding may occur due to a decrease in drainage. In addition, it may be a factor that causes a remarkable defect in battery performance. For this reason, the long-term uniform distribution of the hydrophobic binder and / or conductive particles in the diffusion layer is one of the requirements regarding the durability of the fuel cell.
拡散層基材に対する疎水性バインダの塗布ムラを減少させるためには、分散液またはペーストの粘度を高くする方法や、重ね塗りする方法なども考えられる。しかし、工程に時間がかかり過ぎたり、煩雑となったりする可能性が高く、あまり好ましくない。 In order to reduce the uneven application of the hydrophobic binder to the diffusion layer substrate, a method of increasing the viscosity of the dispersion or paste, a method of overcoating, or the like can be considered. However, there is a high possibility that the process takes too much time or becomes complicated, which is not preferable.
ところで、特許文献1,2には、表面を撥水剤により疎水化処理した導電性粒子を適用し、撥水性と導電性とを付与した拡散層について開示されている。しかし、このような拡散層を備える燃料電池は、長期の使用により、場合によっては導電性粒子表面から撥水剤の一部が剥離し、撥水性能が低下する可能性がある。 By the way, Patent Documents 1 and 2 disclose a diffusion layer to which water-repellent and conductive properties are imparted by applying conductive particles whose surface has been subjected to a hydrophobic treatment with a water repellent. However, in a fuel cell including such a diffusion layer, a part of the water repellent may peel off from the surface of the conductive particles in some cases due to long-term use, and the water repellency may be deteriorated.
特許文献3には、焼成工程が必要となる界面活性剤の添加を不要とするために、予めプラズマ処理により親水化させた粉体を分散させたペーストを塗布し、遠赤外線照射による乾燥により疎水化させた拡散層について開示されている。しかし、プラズマ処理の手間によっては、特殊な装置を必要とする割には焼成工程を適用した場合の手間と特段相違ない場合もあると考えられる。また、所望する撥水性および導電性に応じて各材料の含有量の異なる、別組成の表面処理済み導電性粒子を用意する必要があるため、かえってコスト面の障害となる場合も想定され得る。 In Patent Document 3, in order to eliminate the need for a surfactant that requires a baking step, a paste in which powder previously hydrophilized by plasma treatment is dispersed is applied and dried by irradiation with far-infrared rays. A diffusion layer is disclosed. However, depending on the labor of the plasma treatment, it may be considered that there is a case where there is no particular difference from the labor when the baking process is applied, although a special apparatus is required. Moreover, since it is necessary to prepare surface-treated conductive particles having different compositions that differ in the content of each material in accordance with the desired water repellency and conductivity, it may be assumed that this may be an obstacle to cost.
特許文献4には、過硫酸アンモニウムなどの酸化剤を用いて液相酸化して親水性微小孔を形成させ、次いで撥水性物質を均一塗布した拡散層について開示されている。 Patent Document 4 discloses a diffusion layer in which hydrophilic micropores are formed by liquid phase oxidation using an oxidizing agent such as ammonium persulfate and then a water-repellent substance is uniformly applied.
しかしながら、液相酸化により均一に微小孔を形成させるような制御は一般に困難であるため、繊維強度にばらつきが生じ、全体として拡散層基材の強度の低下に繋がる可能性がある。また、液相酸化に使用した酸化剤が拡散層に残存してしまった場合には、隣接する触媒層に担持された金属触媒の活性を低下させる要因ともなり得る。これらのことから、特許文献4に記載の方法により製造された拡散層は、場合によっては長期にわたる燃料電池の使用に関し、耐久性が懸念される。 However, since it is generally difficult to control the formation of uniform micropores by liquid phase oxidation, the fiber strength varies, and the overall strength of the diffusion layer substrate may be reduced. Moreover, when the oxidizing agent used for the liquid phase oxidation remains in the diffusion layer, it may be a factor of reducing the activity of the metal catalyst supported on the adjacent catalyst layer. For these reasons, the diffusion layer manufactured by the method described in Patent Document 4 is concerned with durability in some cases with respect to long-term use of the fuel cell.
本発明は、長期の使用にわたりフラッディングやドライアップの発生を防止または抑制し得る燃料電池拡散層を提供することを目的とする。 An object of the present invention is to provide a fuel cell diffusion layer that can prevent or suppress the occurrence of flooding and dry-up over a long period of use.
また、本発明の他の目的は、長期の使用にわたり製造時の性能を維持し得る燃料電池拡散層を提供することにある。 Another object of the present invention is to provide a fuel cell diffusion layer capable of maintaining performance during manufacture over a long period of use.
さらに、本発明の別の目的は、長期の使用にわたり安定した電池性能を維持し得る燃料電池を提供することにある。 Furthermore, another object of the present invention is to provide a fuel cell capable of maintaining stable cell performance over a long period of use.
本発明の構成は以下のとおりである。 The configuration of the present invention is as follows.
(1)燃料電池拡散層用基材にカップリング剤を含有する改質処理液を塗布し、含浸させて改質処理する第1の塗工工程と、前記燃料電池拡散層用基材の改質処理部分に撥水処理液を塗布し、含浸させて疎水化処理する第2の塗工工程と、を有し、前記改質処理液は、前記燃料電池拡散層用基材と前記撥水処理液との間の親和性を向上させることを特徴とする燃料電池拡散層の製造方法。 (1) A first coating process in which a reforming treatment liquid containing a coupling agent is applied to a base material for a fuel cell diffusion layer and impregnated for reforming; A water-repellent treatment liquid is applied to the quality-treated portion and impregnated to make a hydrophobic treatment. The reforming treatment liquid includes the fuel cell diffusion layer base material and the water-repellent layer. A method for producing a fuel cell diffusion layer, comprising improving affinity with a treatment liquid.
(2)上記(1)に記載の製造方法において、さらに焼成工程を有する、燃料電池拡散層の製造方法。 (2) The method for producing a fuel cell diffusion layer according to (1), further comprising a firing step.
(3)上記(1)または(2)に記載の製造方法において、前記燃料電池拡散層用基材が、炭素系繊維である、燃料電池拡散層の製造方法。 (3) The method for producing a fuel cell diffusion layer according to (1) or (2), wherein the base material for the fuel cell diffusion layer is a carbon-based fiber.
(4)上記(1)から(3)のいずれか1つに記載の製造方法において、前記撥水処理液が、フッ素樹脂を含有する水性分散液である、燃料電池拡散層の製造方法。 (4) The method for producing a fuel cell diffusion layer according to any one of (1) to (3), wherein the water-repellent treatment liquid is an aqueous dispersion containing a fluororesin.
(5)上記(1)から(4)のいずれか1つに記載の製造方法において、前記改質処理液が、シランカップリング剤を含む水性溶液である、燃料電池拡散層の製造方法。 (5) The method for producing a fuel cell diffusion layer according to any one of (1) to (4), wherein the modifying treatment liquid is an aqueous solution containing a silane coupling agent.
(6)上記(1)から(5)のいずれか1つに記載の製造方法により形成される、燃料電池拡散層。 (6) A fuel cell diffusion layer formed by the manufacturing method according to any one of (1) to (5) above.
(7)電解質膜と、前記電解質膜を挟んで対向するように形成された一対の触媒層と、前記一対の触媒層の外側にそれぞれ形成された一対の拡散層と、を有する膜電極接合体と、前記膜電極接合体の両面を挟持し、前記一対の拡散層それぞれとの間でガス流路を形成する一対のセパレータと、を有し、前記拡散層の少なくとも一方が、上記(6)に記載の燃料電池拡散層である、燃料電池。 (7) Membrane / electrode assembly having an electrolyte membrane, a pair of catalyst layers formed so as to face each other with the electrolyte membrane interposed therebetween, and a pair of diffusion layers formed respectively outside the pair of catalyst layers And a pair of separators sandwiching both surfaces of the membrane electrode assembly and forming a gas flow path between each of the pair of diffusion layers, wherein at least one of the diffusion layers is the above (6) A fuel cell, which is the fuel cell diffusion layer described in 1.
フラッディングやドライアップの発生を防止または抑制することにより、長期の使用にわたり安定した電池性能を維持することが可能となる。 By preventing or suppressing the occurrence of flooding and dry-up, stable battery performance can be maintained over a long period of use.
以下、図面を用いて詳細に説明する。なお、以下に示す本発明の実施の形態において、図3に示した燃料電池と同様の構成については同一の符号を付し、その説明については省略するか、または簡単な説明にとどめる。また、図面中の各部材間の寸法比は必ずしも実際の各部材間の寸法比に一致していない。 Hereinafter, it explains in detail using a drawing. In the embodiment of the present invention described below, the same reference numerals are given to the same components as those of the fuel cell shown in FIG. 3, and the description thereof will be omitted or only a brief description will be given. In addition, the dimensional ratio between the members in the drawing does not necessarily match the actual dimensional ratio between the members.
図1は、本発明の実施の形態における燃料電池拡散層の製造方法について、その一例を示したフローチャートである。燃料電池拡散層の製造方法について、以下に詳細に説明する。 FIG. 1 is a flowchart showing an example of a method for manufacturing a fuel cell diffusion layer according to an embodiment of the present invention. The method for producing the fuel cell diffusion layer will be described in detail below.
まず、燃料電池拡散層を形成する拡散層用基材を準備する。拡散層用基材として、例えばポリアクリロニトリル系、ピッチ系などの炭素系材料などからなる繊維質(多孔質)の織布または不織布などが用いられる。炭素系材料からなる拡散層用基材は、一般に導電性が高く、基材面方向の電気抵抗は、例えば5〜約20mΩ・cm程度のものを用いることができるが、この範囲に限定されるわけではない。また、種々の厚さの拡散層用基材を用いて良いが、図3に示すカソード拡散層18および/またはアノード拡散層20に使用する拡散層用基材と同様のものを用いることが可能である。具体的には、燃料電池拡散層118を形成する拡散層用基材を、例えば、100μm〜300μm程度の厚さとすることが可能であるが、この範囲に限定されるわけではない。より具体的には、燃料電池拡散層118の厚さが100μm〜300μm程度となるような拡散層用基材を適用することができる。なお、上述の拡散層用基材の形状は、燃料電池拡散層を形成する工程において、拡散層用基材に膨張および/または収縮が発生する程度が非常に小さく、無視できる場合を想定しているが、例えば拡散層用基材の膨張および/または収縮が大きい場合であっても、所望する拡散層の形状に合わせて、拡散層用基材の形状を適宜決定することが可能である。
First, a diffusion layer base material for forming a fuel cell diffusion layer is prepared. As the base material for the diffusion layer, for example, a fibrous (porous) woven or non-woven fabric made of a carbon-based material such as polyacrylonitrile or pitch is used. The base material for the diffusion layer made of a carbon-based material generally has high conductivity, and the electrical resistance in the base material surface direction can be, for example, about 5 to about 20 mΩ · cm, but is limited to this range. Do not mean. Further, diffusion layer base materials of various thicknesses may be used, but the same diffusion layer base materials used for the
まず、ステップS102として、上述の拡散層用基材に、カップリング剤を含有する改質処理液を塗布し、含浸させて、拡散層用基材を形成する繊維を改質処理する(第1の塗工工程)。改質処理液として、例えば、シランカップリング剤や、チタネート系カップリング剤などのカップリング剤を、必要に応じて用いられる分散剤や粘度調整剤とともに、水やアルコールなどの水系媒体に溶解または分散させた水性溶液を用いることができる。カップリング剤のなかでも、シランカップリング剤が好適であり、例えば、γ−(2−アミノエチル)アミノプロピルトリメトキシシラン、γ−(2−アミノエチル)アミノプロピルメチルジメトキシシラン、γ−グリシドキシプロピルトリメトキシシラン、γ−グリシドキシプロピルメチルジメトキシシランなど、メトキシ基やエトキシ基などのアルコキシ基によるアルコキシ−Si結合を有するシランカップリング剤を挙げることができるが、これに限定されない。また、他の実施の形態として、水系媒体に代えて有機溶媒などを用いても良く、拡散層として用いることが可能な組成であれば特に制限はない。 First, as step S102, the above-mentioned diffusion layer base material is coated with a modification treatment liquid containing a coupling agent and impregnated to modify the fibers forming the diffusion layer base material (first). Coating process). As the modification treatment liquid, for example, a coupling agent such as a silane coupling agent or a titanate coupling agent is dissolved in an aqueous medium such as water or alcohol together with a dispersant or a viscosity modifier used as necessary. A dispersed aqueous solution can be used. Of the coupling agents, silane coupling agents are preferred, for example, γ- (2-aminoethyl) aminopropyltrimethoxysilane, γ- (2-aminoethyl) aminopropylmethyldimethoxysilane, γ-glycid. Examples include, but are not limited to, silane coupling agents having an alkoxy-Si bond by an alkoxy group such as methoxy group or ethoxy group, such as xylpropyltrimethoxysilane and γ-glycidoxypropylmethyldimethoxysilane. In another embodiment, an organic solvent or the like may be used instead of the aqueous medium, and there is no particular limitation as long as it is a composition that can be used as a diffusion layer.
本実施の形態において、カップリング剤の塗布量は、拡散層用基材に対し、後述する撥水処理剤との親和性を向上させることが可能であれば良く、特に制限はないが、拡散層用基材の乾燥重量に対し、例えば0.1〜5%程度、より具体的には0.1〜3%程度を目安とすることが可能である。 In the present embodiment, the coating amount of the coupling agent is not particularly limited as long as it can improve the affinity with the water repellent treatment agent described later with respect to the base material for the diffusion layer. For example, about 0.1 to 5%, more specifically about 0.1 to 3% can be set as a standard with respect to the dry weight of the layer base material.
また、本実施の形態において、改質処理液中のカップリング剤の濃度は、上述の塗布量となるよう、改質処理液の塗布方法に応じて適宜設定することが可能であり、特に制限なく調製することが可能である。一例として、改質処理液の総重量に対し、例えば0.1〜5%程度のカップリング剤濃度を目安とすることが可能である。 In the present embodiment, the concentration of the coupling agent in the modification treatment liquid can be appropriately set according to the application method of the modification treatment liquid so as to be the above-described application amount, and is particularly limited. It is possible to prepare without. As an example, it is possible to use a coupling agent concentration of, for example, about 0.1 to 5% with respect to the total weight of the reforming treatment liquid.
拡散層用基材に改質処理液を塗布し、含浸させた後、ステップS104として、乾燥させる(第1の乾燥工程)。乾燥方法としては、自然乾燥、温風乾燥、加熱乾燥、その他、拡散層用基材に影響を与えない限り、公知のいかなる方法によるものであっても良い。なお、ここでは、完全に乾燥させる必要はなく、次の工程に影響を及ぼさない場合には省略することも可能である。 After apply | coating and impregnating a modification process liquid to the base material for diffusion layers, as step S104, it is made to dry (1st drying process). The drying method may be any known method as long as it does not affect the base material for diffusion layer, such as natural drying, hot air drying, heat drying, and the like. In addition, here, it is not necessary to dry completely, and when it does not affect the next process, it is also possible to omit.
次に、図1に示すステップS106として、改質処理した拡散層用基材に撥水処理液を塗布し、含浸させて、疎水化させる(第2の塗工工程)。撥水処理液として、例えば、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、テトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体(PEA)、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)などのフッ素樹脂と、必要に応じて用いられるカーボンブラックや黒鉛などの導電性粒子とを、必要に応じて用いられる界面活性剤(分散剤)とともに、水やアルコールなどの水系媒体に分散または溶解させた分散液を用いることができる。他の実施の形態として、フッ素樹脂に代えて疎水性バインダなど、他の撥水化材料を用いて良く、また必要に応じてさらに粘度調整剤などを用いても良く、拡散層として用いることが可能な組成であれば特に制限はない。導電性粒子の大きさは、例えば外寸約0.1μm〜約10μm程度とすることが可能であり、例えば、ケッチェンブラックEC(商品名)等の高導電性カーボン粒子が好適に使用される。また、フッ素樹脂または撥水化材料の大きさは、塗工液中では外寸約0.1μm〜約10μm程度であるのが好ましいが、一般に、高温領域、例えばPTFEの場合には、約320℃以上、になると溶融し、変形するため、これに限らない。 Next, as step S106 shown in FIG. 1, a water repellent treatment liquid is applied to the modified diffusion layer base material, impregnated, and hydrophobized (second coating step). As the water repellent treatment liquid, for example, a fluororesin such as polytetrafluoroethylene (PTFE), tetrafluoroethylene / perfluoroalkyl vinyl ether copolymer (PEA), tetrafluoroethylene / hexafluoropropylene copolymer (FEP), Use a dispersion in which conductive particles such as carbon black and graphite used as necessary are dispersed or dissolved in an aqueous medium such as water and alcohol together with a surfactant (dispersant) used as necessary. be able to. As another embodiment, other water-repellent materials such as a hydrophobic binder may be used in place of the fluororesin, and a viscosity modifier may be further used as necessary, and used as a diffusion layer. There is no particular limitation as long as it is a possible composition. The size of the conductive particles can be, for example, about 0.1 μm to about 10 μm in outer dimensions. For example, highly conductive carbon particles such as Ketjen Black EC (trade name) are preferably used. . In addition, the size of the fluororesin or the water repellent material is preferably about 0.1 μm to about 10 μm in the outer dimensions in the coating liquid, but generally about 320 in the high temperature region, for example, PTFE. It is not limited to this because it melts and deforms when the temperature is higher than ° C.
本実施の形態において、撥水処理液の塗布は、例えば含浸法、アプリケータ法、スプレー法、発泡塗布法、その他公知のあらゆる方法を適用することが可能であり、特に限定はされない。また、選択する塗布方法に応じて好ましい粘度となるように、撥水処理液の粘度を適宜調整することも好適である。 In the present embodiment, the application of the water-repellent treatment liquid can be carried out by, for example, an impregnation method, an applicator method, a spray method, a foam coating method, or any other known method, and is not particularly limited. It is also suitable to adjust the viscosity of the water-repellent treatment liquid as appropriate so as to obtain a preferable viscosity according to the coating method to be selected.
拡散層用基材に撥水処理液を塗布し、含浸させた後、ステップS108として、乾燥させる(第2の乾燥工程)。乾燥方法としては、自然乾燥、温風乾燥、加熱乾燥、その他、拡散層用基材に影響を与えない限り、公知のいかなる方法によるものであっても良い。また、ステップS104と同様の方法によるものであっても、異なるものであっても良い。なお、次の工程に影響を及ぼさない場合には省略することも可能である。 A water repellent treatment liquid is applied to the base material for the diffusion layer and impregnated, and then dried as step S108 (second drying step). The drying method may be any known method as long as it does not affect the base material for diffusion layer, such as natural drying, hot air drying, heat drying, and the like. Further, the method may be the same as that in step S104 or may be different. It should be noted that it can be omitted if it does not affect the next step.
第2の乾燥工程の後(省略する場合には拡散層用基材に撥水処理液を塗布し、含浸させた後)、ステップS110として、上述の拡散層用基材を焼成する(焼成工程)。焼成工程により、フッ素樹脂などの撥水化材料が溶融し、拡散層用基材に結着する。また、カップリング剤が架橋して、例えば拡散層用基材に取り込まれてシリカ層(シランカップリング剤の場合)やチタネート層(チタネート系カップリング剤の場合)を形成し、固着する。さらに、改質処理液や撥水処理液中に含まれ、拡散層用基材中に残存する界面活性剤等の有機成分を分解除去する。これらを実現するために、例えば約340〜約400℃の高温で、約60分〜約8時間程度、焼成が行なわれる。 After the second drying step (if omitted, after applying and impregnating the water repellent treatment liquid to the diffusion layer base material), the above-mentioned diffusion layer base material is fired as step S110 (firing step). ). By the baking process, a water repellent material such as a fluororesin is melted and bound to the base material for the diffusion layer. In addition, the coupling agent is cross-linked, and taken in, for example, the base material for the diffusion layer to form a silica layer (in the case of a silane coupling agent) or a titanate layer (in the case of a titanate coupling agent), and is fixed. Furthermore, organic components such as surfactants contained in the modification treatment liquid and the water repellent treatment liquid and remaining in the base material for the diffusion layer are decomposed and removed. In order to realize these, baking is performed at a high temperature of about 340 to about 400 ° C. for about 60 minutes to about 8 hours, for example.
焼成工程終了後、放冷し、必要に応じて所望の形状に裁断等を行ない、燃料電池拡散層118が完成する。
After completion of the firing step, the mixture is allowed to cool and cut into a desired shape as necessary to complete the fuel
本実施の形態において、拡散層用基材を形成する繊維表面は、改質処理液により処理されることにより、撥水化材料を含有する撥水処理液との親和性が向上している。このため、図4に示すような、改質処理を行なわずに直接撥水処理を施す場合と比較して、図2に示すように、拡散層用基材18aに対し、改質処理液による改質処理を行なった後で撥水処理を施すことにより、撥水化材料18bや導電性粒子18cを含む撥水処理液中の分散物18dを、拡散層用基材全体にわたり均一に分布させることが可能となる。このようにして得られた燃料電池拡散層118を、図3に示したカソード拡散層18および/またはアノード拡散層20に代えて用いることにより、フラッディングやドライアップの発生を防止または抑制し得る燃料電池を作製することが可能となる。なお、図2において、改質処理液の塗布により形成された薄層については省略した。
In the present embodiment, the fiber surface forming the diffusion layer base material is treated with the modifying treatment liquid, so that the affinity with the water repellent treatment liquid containing the water repellent material is improved. Therefore, as shown in FIG. 2, the diffusion
なお、本発明の他の実施の形態において、拡散層基材に対する改質処理液の塗布は、撥水処理液の塗布に先立って予め所定の箇所に行えばよく、拡散層基材全体にする必要はない。例えば、燃料電池拡散層の表層部分を親水性とするような要望がある場合には、この表層部分には改質処理液を塗布する必要はない。また、拡散層基材において改質処理を施した箇所全体に撥水処理液を塗布する必要もないが、薬液(改質処理液および/または撥水処理液)の有効活用の点からも、改質処理液により改質処理を施した箇所全体に撥水処理液を塗布し、撥水処理することが好適である。 In another embodiment of the present invention, the modification treatment liquid may be applied to the diffusion layer base material in advance at a predetermined location prior to the application of the water repellent treatment liquid. There is no need. For example, when there is a demand for making the surface layer portion of the fuel cell diffusion layer hydrophilic, it is not necessary to apply the reforming treatment liquid to the surface layer portion. In addition, it is not necessary to apply a water-repellent treatment liquid to the entire area subjected to the modification treatment in the diffusion layer base material, but from the viewpoint of effective use of a chemical solution (modification treatment liquid and / or water-repellent treatment liquid), It is preferable to apply the water-repellent treatment liquid to the entire portion subjected to the modification treatment with the modification treatment liquid and perform the water-repellent treatment.
図2に示す燃料電池拡散層118を製造し、図4に示した従来の拡散層18との間での耐久性を比較した。なお、特に断りのない限り、「部」および「%」はいずれも質量基準である。
The fuel
<拡散層用基材>
拡散層用基材として、3.5cm×3.5cm角、厚さ190μmのカーボンペーパー(TGP−H−060、東レ株式会社製)を使用した。
<Base material for diffusion layer>
As the base material for the diffusion layer, carbon paper (TGP-H-060, manufactured by Toray Industries, Inc.) having a size of 3.5 cm × 3.5 cm square and a thickness of 190 μm was used.
[拡散層1の作製]
<改質処理工程(S102)>
改質処理液として、シランカップリング剤であるγ−グリシドキシプロピルトリメトキシシラン(SH6040(商品名)、東レ・ダウコーニング社製)の、2%−エタノール溶液を調製した。この改質処理液を上記拡散層用基材に対し浸漬塗布し、含浸させた。
[Production of Diffusion Layer 1]
<Modification process (S102)>
A 2% -ethanol solution of γ-glycidoxypropyltrimethoxysilane (SH6040 (trade name), manufactured by Toray Dow Corning), which is a silane coupling agent, was prepared as a modification treatment liquid. This modification treatment liquid was dip-coated on the diffusion layer substrate and impregnated.
<第1の乾燥工程(S104)>
熱風乾燥により100℃で1時間、乾燥を行なった。基材重量の測定から、基材重量に対し0.5%のシランカップリング剤が付着していることがわかった。
<First drying step (S104)>
Drying was performed at 100 ° C. for 1 hour by hot air drying. From the measurement of the substrate weight, it was found that 0.5% of the silane coupling agent was adhered to the substrate weight.
<疎水化工程(S106)>
撥水化材料として、平均粒子径0.2μmのPTFEを、導電性粒子として、平均一次粒子径35nmのアセチレンブラックをそれぞれ用い、PTFE/アセチレンブラック=40/60(乾燥重量比)で脱イオン水中に分散させ、固形分含量20%の撥水化塗工液を作製した。この撥水処理液の粘度は、500mPa・sであった。塗工装置としてダイコータを用い、拡散層用基材に、1cm2あたり10mgの撥水処理液(乾燥重量2mg/cm2)を塗布し、含浸させた。
<Hydrophobicization step (S106)>
PTFE with an average particle diameter of 0.2 μm was used as the water repellent material, and acetylene black with an average primary particle diameter of 35 nm was used as the conductive particles, respectively, and deionized water with PTFE / acetylene black = 40/60 (dry weight ratio). A water repellent coating solution having a solid content of 20% was prepared. The viscosity of this water repellent treatment liquid was 500 mPa · s. Means of a die coater as a coating apparatus, the diffusion layer base material, water-repellent liquid of 1 cm 2 per 10mg (dry weight 2 mg / cm 2) was applied and impregnated.
<第2の乾燥工程(S108)>
熱風乾燥により100℃で1時間、乾燥を行なった。
<Second drying step (S108)>
Drying was performed at 100 ° C. for 1 hour by hot air drying.
<焼成工程(S110)>
焼成炉を用いて、350℃、8時間の焼成を行った。焼成後、放冷し、拡散層1を得た。
<Firing step (S110)>
Firing was performed at 350 ° C. for 8 hours using a firing furnace. After firing, the mixture was allowed to cool to obtain a diffusion layer 1.
[拡散層2の作製]
改質処理液として、SH6040(商品名)の1.2%−エタノール溶液を用いたことを除き、拡散層1と同様の方法により、拡散層2を得た。
[Production of Diffusion Layer 2]
Diffusion layer 2 was obtained by the same method as diffusion layer 1 except that a 1.2% ethanol solution of SH6040 (trade name) was used as the modification treatment liquid.
[拡散層3の作製]
改質処理液として、SH6040(商品名)の0.4%−エタノール溶液を用いたことを除き、拡散層1と同様の方法により、拡散層3を得た。
[Production of Diffusion Layer 3]
Diffusion layer 3 was obtained by the same method as diffusion layer 1 except that a 0.4% ethanol solution of SH6040 (trade name) was used as the modification treatment liquid.
[拡散層4の作製]
改質処理液を用いないことを除き、拡散層1と同様の方法により、拡散層4を得た。
[Production of Diffusion Layer 4]
Diffusion layer 4 was obtained by the same method as diffusion layer 1 except that the modification treatment liquid was not used.
作製した拡散層1〜4について、表1にまとめた。 The produced diffusion layers 1 to 4 are summarized in Table 1.
[評価]
拡散層の排水性に対する、燃料電池の製造直後と、長期にわたる使用後における変化の有無を、以下に示す耐熱水性試験およびセル電圧測定により評価した。
[Evaluation]
The presence or absence of a change in the drainage properties of the diffusion layer immediately after production of the fuel cell and after long-term use was evaluated by the following hot water test and cell voltage measurement.
[実施例1]
<耐熱水性試験>
拡散層1を、80℃に調整した熱水中に所定時間(500時間および1000時間)浸漬させ、製造直後における撥水性と比較するとともに、撥水処理材料の脱落容易性について、テープ剥離試験により確認した。
[Example 1]
<Heat resistance test>
The diffusion layer 1 is immersed in hot water adjusted to 80 ° C. for a predetermined time (500 hours and 1000 hours), and compared with the water repellency immediately after production. confirmed.
[転落角測定]
表面に液滴(5%エタノール水溶液)2μgをそれぞれ滴下した拡散層を徐々に傾けていくと、所定の角度にてこの液滴が流動し、転落する。撥水性の評価は、この角度(転落角)を測定することにより行なった。結果を表2に示す。転落角が小さいほど、撥水性が高いことを意味し、例えば10°以下の転落角を有する拡散層が好適である。なお、表2に示した測定結果は、3回の測定による平均値である。
[Trolling angle measurement]
When the diffusion layer in which 2 μg of droplet (5% ethanol aqueous solution) is dropped on the surface is gradually tilted, the droplet flows and falls at a predetermined angle. The water repellency was evaluated by measuring this angle (falling angle). The results are shown in Table 2. A smaller falling angle means higher water repellency. For example, a diffusion layer having a falling angle of 10 ° or less is suitable. In addition, the measurement result shown in Table 2 is an average value by three measurements.
[テープ剥離試験]
市販のセロハンテープ(ニチバン製)を拡散層1の表面に圧着し、剥離させて、粘着テープの粘着面にカーボンブラックの粒子が付着しているか否かを目視にて評価した。表2に結果を示す。表2における評価基準は以下の通りである。◎:付着が認められない、○:わずかに付着が認められる(付着面積5%未満)、△:かなりの付着が認められる(付着面積5〜80%未満)、×:ほぼ全面にわたり付着が認められる(付着面積80%以上)。
[Tape peeling test]
A commercially available cellophane tape (manufactured by Nichiban) was pressure-bonded to the surface of the diffusion layer 1, peeled off, and visually evaluated whether or not carbon black particles adhered to the adhesive surface of the adhesive tape. Table 2 shows the results. The evaluation criteria in Table 2 are as follows. ◎: Adherence is not observed, ○: Adherence is slightly recognized (adhesion area less than 5%), Δ: Considerable adhesion is observed (adhesion area is less than 5 to 80%), X: Adhesion is observed over almost the entire surface (Attached area 80% or more).
<セル電圧測定試験>
図3に示す単位セル10を作製した。以下に示す燃料電池の作製において、括弧内に示す符号は、図3に示す符号に対応している。
<Cell voltage measurement test>
A
<電解質膜>
フッ素系の電解質膜であるナフィオン(登録商標)112(デュポン社製)を5cm×5cm角に裁断し、電解質膜(12)として使用した。
<Electrolyte membrane>
Nafion (registered trademark) 112 (manufactured by DuPont), which is a fluorine-based electrolyte membrane, was cut into a 5 cm × 5 cm square and used as the electrolyte membrane (12).
<触媒層の作製>
カーボンブラック(ケッチェンブラック EC600、ライオン(株)より入手)の重量に対し50%の白金を担持させた触媒を作製した。この触媒を、20%ナフィオン(登録商標)溶液(20% Nafion(登録商標) Dispersion Solution DE2020、デュポン社製)と、分散媒として50%エタノール水溶液とを用いて混合分散し、触媒インクを作製した。触媒とナフィオン(登録商標)との混合比は、触媒:ナフィオン(登録商標)(固形分含量)=1:0.5とした。
<Preparation of catalyst layer>
A catalyst having 50% platinum supported on the weight of carbon black (Ketjen Black EC600, obtained from Lion Corporation) was prepared. This catalyst was mixed and dispersed using a 20% Nafion (registered trademark) solution (20% Nafion (registered trademark) Dispersion Solution DE2020, manufactured by DuPont) and a 50% aqueous ethanol solution as a dispersion medium to prepare a catalyst ink. . The mixing ratio of the catalyst and Nafion (registered trademark) was set to catalyst: Nafion (registered trademark) (solid content) = 1: 0.5.
上述の電解質膜(12)の両面に、デカール法を用いて上記触媒インクを転写し、カソード触媒層(14)およびアノード触媒層(16)をそれぞれ作製した。より具体的には、別のシート(本実施例ではETFEフィルムを使用)上に所定量の触媒インクを塗布したものを予め作製し、これを電解質膜(12)へ熱圧着プレスにより転写接合することによりカソード触媒層(14)およびアノード触媒層(16)を作製する方法を採用した。ここで触媒インクの塗布量は、カソード触媒層(14)側における触媒塗布量が0.8mg/cm2、アノード触媒層(16)側における触媒塗布量が0.5mg/cm2となるようにそれぞれ調整した。なお、他の実施の形態として、触媒インクをスプレーで直接電解質膜(12)の両面に塗布しても同様の触媒層が得られる。 The catalyst ink was transferred onto both surfaces of the electrolyte membrane (12) by using a decal method to prepare a cathode catalyst layer (14) and an anode catalyst layer (16). More specifically, a sheet obtained by applying a predetermined amount of catalyst ink on another sheet (which uses an ETFE film in this embodiment) is prepared in advance, and this is transferred and bonded to the electrolyte membrane (12) by a thermocompression press. Thus, a method for producing the cathode catalyst layer (14) and the anode catalyst layer (16) was employed. Here, the amount of catalyst ink applied is such that the amount of catalyst applied on the cathode catalyst layer (14) side is 0.8 mg / cm 2 and the amount of catalyst applied on the anode catalyst layer (16) side is 0.5 mg / cm 2. Each was adjusted. As another embodiment, the same catalyst layer can be obtained by applying the catalyst ink directly on both surfaces of the electrolyte membrane (12) by spraying.
<拡散層への接合(MEAの作製)>
上述のようにして作製した、電解質膜(12)の一方面にカソード触媒層(14)を、他方面にアノード触媒層(16)を、それぞれ作製したものの両側を、上述の拡散層1をカソード拡散層(18)およびアノード拡散層(20)として挟持し、その両側から熱圧着プレスにより接合し、MEA(40)を作製した。なお、本実施例において、接合条件は、120℃、3MPaとしたが、これに限らず、任意に設定することが可能である。
<Bonding to diffusion layer (production of MEA)>
A cathode catalyst layer (14) is formed on one surface of the electrolyte membrane (12) and an anode catalyst layer (16) is formed on the other surface, respectively. The diffusion layer (18) and the anode diffusion layer (20) were sandwiched and joined from both sides by a thermocompression press to produce an MEA (40). In the present embodiment, the bonding conditions are 120 ° C. and 3 MPa, but are not limited to this, and can be set arbitrarily.
<単位セル(燃料電池)の作製>
カソード側セパレータ(22)、アノード側セパレータ(24)として、カーボンセパレータ(4.5cm×4.5cm角、厚さ5mmの日清紡製セパレータ、ガス流路および冷媒流路として、幅1.8mm、深さ0.5mmの流路溝を両面にそれぞれ形成)を用いて押圧挟持した単位セル1を作製し、燃料電池1とした。
<Production of unit cell (fuel cell)>
As a cathode separator (22) and an anode separator (24), a carbon separator (4.5 cm × 4.5 cm square, a 5 mm thick Nisshinbo separator, a gas channel and a refrigerant channel, a width of 1.8 mm, a depth of A unit cell 1 was formed by pressing and sandwiching a 0.5 mm-thick channel groove on both sides.
電池性能を評価するために、以下の条件において、燃料電池1におけるセル電圧を測定した。酸化ガス:空気(露点 65℃、利用率 任意)、燃料ガス:純水素(露点 65℃、利用率 80%)、セル温度65℃とし、電流密度0.7A/cm2となるように酸化ガスの利用率を任意に変動させて電池評価した。60分間のセル電圧の平均値と、その偏差(3σ)を求め、表3に示した。 In order to evaluate the battery performance, the cell voltage in the fuel cell 1 was measured under the following conditions. Oxidizing gas: air (dew point 65 ° C., utilization rate arbitrary), fuel gas: pure hydrogen (dew point 65 ° C., utilization rate 80%), cell temperature 65 ° C., oxidizing gas so that the current density is 0.7 A / cm 2. The battery was evaluated by arbitrarily changing the utilization rate. The average value of the cell voltage for 60 minutes and its deviation (3σ) were determined and shown in Table 3.
一方、拡散層1において、1000時間の耐熱水性試験に供したものを用いて上記燃料電池1と同様の燃料電池を作製し、60分間のセル電圧の平均値と、その偏差を求めた。この結果は、上述の発電条件にて燃料電池1を1000時間連続して運転させたものと同様の結果を示した。 On the other hand, in the diffusion layer 1, a fuel cell similar to the above fuel cell 1 was produced using a 1000 hour hot water resistance test, and the average value of the cell voltage for 60 minutes and its deviation were determined. This result showed the same result as what operated the fuel cell 1 continuously for 1000 hours on the above-mentioned electric power generation conditions.
[実施例2]
拡散層1に代えて拡散層2を用い、実施例1と同様にして耐熱水性試験を行なった。結果を表2に示す。
[Example 2]
A hot water resistance test was conducted in the same manner as in Example 1 except that the diffusion layer 2 was used in place of the diffusion layer 1. The results are shown in Table 2.
カソード拡散層(18)およびアノード拡散層(20)として、拡散層1に代えて拡散層2をそれぞれ用いたことを除き、燃料電池1と同様にして燃料電池2を作製し、燃料電池1と同様にしてセル電圧測定試験を行なった。結果を表3に示す。 A fuel cell 2 was fabricated in the same manner as the fuel cell 1 except that the diffusion layer 2 was used instead of the diffusion layer 1 as the cathode diffusion layer (18) and the anode diffusion layer (20). Similarly, a cell voltage measurement test was conducted. The results are shown in Table 3.
一方、拡散層2において、1000時間の耐熱水性試験に供したものを用いて燃料電池2と同様の燃料電池を作製し、実施例1と同様にしてセル電圧測定試験を行なった結果、上述の発電条件にて燃料電池2を1000時間連続して運転させたものと同様の結果を示した。 On the other hand, in the diffusion layer 2, a fuel cell similar to the fuel cell 2 was produced using a 1000-hour hot water resistance test, and a cell voltage measurement test was performed in the same manner as in Example 1. The same results as those obtained when the fuel cell 2 was continuously operated for 1000 hours under the power generation conditions were shown.
[実施例3]
拡散層1に代えて拡散層3を用い、実施例1と同様にして耐熱水性試験を行なった。結果を表2に示す。
[Example 3]
A hot water resistance test was conducted in the same manner as in Example 1 except that the diffusion layer 3 was used in place of the diffusion layer 1. The results are shown in Table 2.
カソード拡散層(18)およびアノード拡散層(20)として、拡散層1に代えて拡散層3をそれぞれ用いたことを除き、燃料電池1と同様にして燃料電池3を作製し、燃料電池1と同様にしてセル電圧測定試験を行なった。結果を表3に示す。 A fuel cell 3 was fabricated in the same manner as the fuel cell 1 except that the diffusion layer 3 was used instead of the diffusion layer 1 as the cathode diffusion layer (18) and the anode diffusion layer (20). Similarly, a cell voltage measurement test was conducted. The results are shown in Table 3.
一方、拡散層3において、1000時間の耐熱水性試験に供したものを用いて燃料電池3と同様の燃料電池を作製し、実施例1と同様にしてセル電圧測定試験を行なった結果、上述の発電条件にて燃料電池3を1000時間連続して運転させたものと同様の結果を示した。 On the other hand, in the diffusion layer 3, a fuel cell similar to the fuel cell 3 was produced using a 1000-hour hot water resistance test, and a cell voltage measurement test was performed in the same manner as in Example 1. The same results as those obtained when the fuel cell 3 was continuously operated for 1000 hours under the power generation conditions were shown.
[比較例1]
拡散層1に代えて拡散層4を用い、実施例1と同様にして耐熱水性試験を行なった。結果を表2に示す。
[Comparative Example 1]
A hot water resistance test was conducted in the same manner as in Example 1 except that the diffusion layer 4 was used in place of the diffusion layer 1. The results are shown in Table 2.
カソード拡散層(18)およびアノード拡散層(20)として、拡散層1に代えて拡散層4をそれぞれ用いたことを除き、燃料電池1と同様にして燃料電池4を作製し、燃料電池1と同様にしてセル電圧測定試験を行なった。結果を表3に示す。 A fuel cell 4 was produced in the same manner as the fuel cell 1 except that the diffusion layer 4 was used instead of the diffusion layer 1 as the cathode diffusion layer (18) and the anode diffusion layer (20). Similarly, a cell voltage measurement test was conducted. The results are shown in Table 3.
一方、拡散層4において、1000時間の耐熱水性試験に供したものを用いて燃料電池4と同様の燃料電池を作製し、実施例1と同様にしてセル電圧測定試験を行なった結果、上述の発電条件にて燃料電池4を1000時間連続して運転させたものと同様の結果を示した。 On the other hand, in the diffusion layer 4, a fuel cell similar to the fuel cell 4 was manufactured using the one subjected to the hot water resistance test for 1000 hours, and the cell voltage measurement test was performed in the same manner as in Example 1. The same results as those obtained when the fuel cell 4 was continuously operated for 1000 hours under the power generation conditions were shown.
表2に示す耐熱水性試験の結果より、比較例1に示した、改質処理を行なっていない拡散層では、熱水に対する浸漬時間の経過とともに撥水性が低下し、またカーボン粒子が脱落し易くなることが分かる。これに対し、実施例1〜3に示した拡散層では、長期にわたり撥水性が維持され、またカーボン粒子の脱落も抑制されていることが分かる。 From the results of the hot water resistance test shown in Table 2, in the diffusion layer not subjected to the modification treatment shown in Comparative Example 1, the water repellency decreases with the elapse of the immersion time in hot water, and the carbon particles easily fall off. I understand that On the other hand, in the diffusion layers shown in Examples 1 to 3, it can be seen that the water repellency is maintained over a long period of time and the dropping of the carbon particles is suppressed.
また、表3に示すセル電圧測定試験の結果より、拡散層作製当初には、改質処理の有無による電池性能に優位の差は認められず、ほぼ同等の結果が得られるが、比較例1に示す拡散層4は、1000時間の熱水浸漬により劣化し、燃料電池4の出力が低下するとともにセル電圧の安定性も低下することが分かった。これに対し、実施例1〜3に示した拡散層では、撥水性が維持されることによりフラッディングの発生が抑制され、長期にわたり安定した電池性能が発揮されることが分かる。 Further, from the results of the cell voltage measurement test shown in Table 3, at the beginning of the diffusion layer production, there is no significant difference in battery performance depending on the presence or absence of the modification treatment, and almost equivalent results are obtained. Comparative Example 1 It has been found that the diffusion layer 4 shown in FIG. 1 deteriorates by immersion in hot water for 1000 hours, and the output of the fuel cell 4 decreases and the stability of the cell voltage also decreases. On the other hand, in the diffusion layers shown in Examples 1 to 3, it is understood that generation of flooding is suppressed by maintaining water repellency, and stable battery performance is exhibited over a long period of time.
本発明は、いかなる燃料電池にも有効であるが、特に高加湿運転に供される燃料電池に利用することが可能である。 The present invention is effective for any fuel cell, but can be used particularly for a fuel cell that is subjected to a highly humidified operation.
10 単位セル、12 電解質膜、14 カソード触媒層、16 アノード触媒層、18 カソード拡散層、18a 拡散層用基材、18b 撥水化材料(疎水性バインダ)、18c 導電性粒子、20 アノード拡散層、22 カソード側セパレータ、24 アノード側セパレータ、26 酸化ガス流路、28 燃料ガス流路、40 膜電極接合体(MEA)、118 拡散層。 10 unit cell, 12 electrolyte membrane, 14 cathode catalyst layer, 16 anode catalyst layer, 18 cathode diffusion layer, 18a diffusion layer substrate, 18b water repellent material (hydrophobic binder), 18c conductive particles, 20 anode diffusion layer , 22 Cathode side separator, 24 Anode side separator, 26 Oxidizing gas flow path, 28 Fuel gas flow path, 40 Membrane electrode assembly (MEA), 118 Diffusion layer.
Claims (7)
前記燃料電池拡散層用基材の改質処理部分に撥水処理液を塗布し、含浸させて疎水化処理する第2の塗工工程と、
を有し、
前記改質処理液は、前記燃料電池拡散層用基材と前記撥水処理液との間の親和性を向上させることを特徴とする燃料電池拡散層の製造方法。 A first coating step in which a reforming treatment liquid containing a coupling agent is applied to a base material for a fuel cell diffusion layer, impregnated and reformed;
A second coating step of applying a water repellent treatment liquid to the modified treatment portion of the base material for the fuel cell diffusion layer and impregnating the hydrophobic treatment solution;
Have
The method for producing a fuel cell diffusion layer, wherein the reforming treatment liquid improves the affinity between the fuel cell diffusion layer base material and the water-repellent treatment liquid.
前記燃料電池拡散層用基材が、炭素系繊維であることを特徴とする燃料電池拡散層の製造方法。 In the manufacturing method of Claim 1 or 2,
The method for producing a fuel cell diffusion layer, wherein the base material for the fuel cell diffusion layer is a carbon fiber.
前記撥水処理液が、フッ素樹脂を含有する水性分散液であることを特徴とする燃料電池拡散層の製造方法。 In the manufacturing method of any one of Claim 1 to 3,
The method for producing a fuel cell diffusion layer, wherein the water repellent treatment liquid is an aqueous dispersion containing a fluororesin.
前記改質処理液が、シランカップリング剤を含む水性溶液であることを特徴とする燃料電池拡散層の製造方法。 In the manufacturing method according to any one of claims 1 to 4,
The method for producing a fuel cell diffusion layer, wherein the reforming treatment liquid is an aqueous solution containing a silane coupling agent.
前記膜電極接合体の両面を挟持し、前記一対の拡散層それぞれとの間でガス流路を形成する一対のセパレータと、
を有し、
前記拡散層の少なくとも一方が、請求項6に記載の燃料電池拡散層であることを特徴とする燃料電池。 A membrane electrode assembly having an electrolyte membrane, a pair of catalyst layers formed to face each other with the electrolyte membrane interposed therebetween, and a pair of diffusion layers formed respectively outside the pair of catalyst layers;
A pair of separators sandwiching both surfaces of the membrane electrode assembly and forming a gas flow path between each of the pair of diffusion layers;
Have
The fuel cell according to claim 6, wherein at least one of the diffusion layers is the fuel cell diffusion layer according to claim 6.
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Cited By (1)
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CN102456890A (en) * | 2010-10-29 | 2012-05-16 | 中国科学院大连化学物理研究所 | Diffusion layer of URFC (unitized regenerative fuel cell) and preparation method thereof |
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- 2007-01-26 JP JP2007015997A patent/JP2008181834A/en active Pending
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