JP2008262741A - Microporous layer (mpl), gas diffusion layer (gdl), membrane electrode assembly (mega) with microporous layer (mpl), and solid polymer electrolyte fuel cell equipped with the membrane electrode assembly (mega) - Google Patents

Microporous layer (mpl), gas diffusion layer (gdl), membrane electrode assembly (mega) with microporous layer (mpl), and solid polymer electrolyte fuel cell equipped with the membrane electrode assembly (mega) Download PDF

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To form a membrane electrode assembly (MEGA) with a microporous layer (MPL) enhancing flooding resistance while ensuring sufficient gas diffusion, and to provide a technique uniformizing the reaction inside the electrode surface. <P>SOLUTION: A gas diffusion layer (GDL) applied to a solid polymer electrolyte fuel cell is equipped with the microporous layer (MPL) arranged on a catalyst layer and formed with powder having core-shell structure comprising a water absorbing core and a water repellent porous shell; and at user's request, a gas diffusion base material (a GDL base material) arranged on the microporous layer. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は、耐フラッディング性に優れた微多孔質層(マイクロポーラス層:MPL)、ガス拡散層(GDL)、微多孔質層(マイクロポーラス層:MPL)付き膜電極接合体(MEGA)及び該膜電極接合体(MEGA)を備えた固体高分子型燃料電池に関する。   The present invention relates to a microporous layer (microporous layer: MPL) excellent in flooding resistance, a gas diffusion layer (GDL), a membrane electrode assembly (MEGA) with a microporous layer (microporous layer: MPL), and the The present invention relates to a polymer electrolyte fuel cell including a membrane electrode assembly (MEGA).

固体高分子型燃料電池は、図1に示すように、中央部に配置する固体高分子電解質膜1と、この固体高分子電解質膜1の両側のうち、一側に(燃料)触媒層2および(燃料)ガス拡散層3を備える燃料電極4と、その他側に(酸化剤)触媒層5および(酸化剤)ガス拡散層6を備える酸化剤電極7とを配置するとともに、各電極4,7の外側に燃料ガス流通溝8を備える燃料セパレータ9と、酸化剤ガス流通溝10を備える酸化剤セパレータ11とをそれぞれ配置して単電池(単セル)12を構成している。   As shown in FIG. 1, the solid polymer fuel cell includes a solid polymer electrolyte membrane 1 disposed in the center, and a (fuel) catalyst layer 2 on one side of both sides of the solid polymer electrolyte membrane 1 and A fuel electrode 4 having a (fuel) gas diffusion layer 3 and an oxidant electrode 7 having a (oxidant) catalyst layer 5 and a (oxidant) gas diffusion layer 6 are arranged on the other side, and each electrode 4, 7. A single cell (single cell) 12 is configured by disposing a fuel separator 9 having a fuel gas flow groove 8 and an oxidant separator 11 having an oxidant gas flow groove 10 on the outside thereof.

固体高分子電解質膜1は、例えばプロトン交換膜であるパーフルオロカーボンスルホン酸(例えば米国デュポン社製ナフィオン膜:商標名)が多く用いられている。この膜は、分子中に水素イオンの交換基を持ち、飽和状態に含水させることによりイオン伝導性の電解質として機能するとともに、燃料ガスと酸化剤ガスとを分離する機能も備えている。このため、高い電池特性を得るには、固体高分子電解質膜1を飽和状態あるいは飽和に近い状態に含水させることが重要とされている。   As the solid polymer electrolyte membrane 1, for example, perfluorocarbon sulfonic acid (for example, Nafion membrane: trade name, manufactured by DuPont, USA), which is a proton exchange membrane, is often used. This membrane has an exchange group of hydrogen ions in the molecule and functions as an ion conductive electrolyte by containing water in a saturated state, and also has a function of separating fuel gas and oxidant gas. For this reason, in order to obtain high battery characteristics, it is important to hydrate the solid polymer electrolyte membrane 1 in a saturated state or a state close to saturation.

他方、燃料電極4および酸化剤電極7は、図1に示すように、いずれも触媒活性を備える物質を含む燃料触媒層2および酸化剤触媒層5と、反応ガスの各触媒層2,5への拡散を促す燃料ガス拡散層3および酸化剤ガス拡散層6とを備えている。各拡散層3,6は、例えばカーボン繊維を含む布状あるいは板状が用いられている。板状の各拡散層3,6は、触媒層を支持する機能を持っている。また、カーボン製のガス拡散層は、導電性もよく、集電体としての機能も持っている。   On the other hand, as shown in FIG. 1, the fuel electrode 4 and the oxidant electrode 7 are respectively connected to the fuel catalyst layer 2 and the oxidant catalyst layer 5 containing a substance having catalytic activity, and the reaction gas catalyst layers 2 and 5. The fuel gas diffusion layer 3 and the oxidant gas diffusion layer 6 are provided. Each of the diffusion layers 3 and 6 is, for example, a cloth shape or a plate shape containing carbon fibers. Each of the plate-like diffusion layers 3 and 6 has a function of supporting the catalyst layer. In addition, the carbon gas diffusion layer has good conductivity and functions as a current collector.

上記単セルを構成する各電極は、ガス拡散性と伝導性とを備えた多孔質の炭素材料、具体的には、炭素繊維から構成したカーボンクロス、カーボンフェルト又はカーボンペーパ等によりガス拡散層を形成し、集電体として使用している。このような材料からガス拡散層を形成することにより、各電極に継続して燃料ガス及び酸化ガスが供給され、電池反応が連続して進行して発電が安定化する。   Each electrode constituting the single cell is made of a porous carbon material having gas diffusibility and conductivity, specifically, a gas diffusion layer made of carbon cloth, carbon felt or carbon paper made of carbon fiber. It is formed and used as a current collector. By forming the gas diffusion layer from such a material, the fuel gas and the oxidizing gas are continuously supplied to each electrode, the cell reaction proceeds continuously, and the power generation is stabilized.

また、水の滞留(フラッディング)を抑制するため、例えば、ガス拡散層として、多孔質基材であるカーボンペーパやカーボンクロスを、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)又はテトラフルオロエチレンとヘキサフルオロプロピレンとの共重合体(FEP)の分散液に含浸した後、乾燥して製造したものが開示されている。しかし、この方法で製造したガス拡散層は、その内部において液滴を排水する効果が得られるが、電極触媒層において生成した生成水を完全に排水することは難しかった。   In order to suppress water retention (flooding), for example, as a gas diffusion layer, carbon paper or carbon cloth, which is a porous base material, is made of polytetrafluoroethylene (PTFE) or tetrafluoroethylene and hexafluoropropylene. A product prepared by impregnating a dispersion of a copolymer (FEP) and then drying it is disclosed. However, although the gas diffusion layer produced by this method has the effect of draining droplets inside, it is difficult to completely drain the generated water generated in the electrode catalyst layer.

また、アノード側電極触媒層及びカソード側電極触媒層と、燃料ガス拡散層(GDL)及び酸化剤ガス拡散層(GDL)との各層の間に、燃料ガス微多孔質層(マイクロポーラス層:MPL)及び酸化剤ガス微多孔質層(マイクロポーラス層:MPL)を形成した固体高分子電解質型燃料電池も知られている。   Further, a fuel gas microporous layer (microporous layer: MPL) is provided between each of the anode side electrode catalyst layer and the cathode side electrode catalyst layer and the fuel gas diffusion layer (GDL) and the oxidant gas diffusion layer (GDL). ) And an oxidant gas microporous layer (microporous layer: MPL) are also known.

燃料ガス微多孔質層(マイクロポーラス層:MPL)及び酸化剤ガス微多孔質層(マイクロポーラス層:MPL)を形成した固体高分子型燃料電池は、図2に示すように、燃料触媒層2および酸化剤触媒層5と燃料ガス拡散層3および酸化剤ガス拡散層6とのそれぞれの間に燃料ガス多孔層16および酸化剤ガス多孔層17を介装させている。   As shown in FIG. 2, the polymer electrolyte fuel cell in which the fuel gas microporous layer (microporous layer: MPL) and the oxidant gas microporous layer (microporous layer: MPL) are formed is a fuel catalyst layer 2. The fuel gas porous layer 16 and the oxidant gas porous layer 17 are interposed between the oxidant catalyst layer 5 and the fuel gas diffusion layer 3 and the oxidant gas diffusion layer 6, respectively.

図2に示す微多孔質層(マイクロポーラス層:MPL)付き膜電極接合体(MEGA)を備えた固体高分子型燃料電池では、燃料ガス拡散層3および酸化剤ガス拡散層6とは気孔率の異なる少なくとも一層からなる各多孔層16,17を備えることにより、燃料ガスの燃料電極4への移動および酸化剤ガスの酸化剤電極7への移動、あるいは電極反応の際の酸化剤電極7に生成される水の酸化剤ガス流通溝10への排出を容易にし、その結果、高電流密度域での起電力向上を意図している。   In the polymer electrolyte fuel cell provided with the membrane electrode assembly (MEGA) with the microporous layer (microporous layer: MPL) shown in FIG. 2, the fuel gas diffusion layer 3 and the oxidant gas diffusion layer 6 have a porosity. By providing the porous layers 16 and 17 composed of at least one layer different from each other, movement of the fuel gas to the fuel electrode 4 and movement of the oxidant gas to the oxidant electrode 7 or the oxidant electrode 7 in the electrode reaction is performed. The discharge of the generated water to the oxidant gas flow groove 10 is facilitated, and as a result, the electromotive force is improved in a high current density region.

一方、燃料セパレータ9は、燃料ガスを燃料電極4に流す燃料ガス流通溝8を、さらに、酸化剤セパレータ11は、酸化剤ガスを酸化剤電極7に流す酸化剤ガス流通溝10をそれぞれ備えており、電極反応の際、酸化剤電極7で生成する酸化剤ガス流通溝10を介して外部に排出させるようになっている。なお、両セパレータ9,11は、導電性、気密性、耐熱性、加工性、強度等に優れていることが求められているので、例えば耐蝕処理を行った金属板、高密度のカーボン板、あるいはカーボンと樹脂との複合板などのいずれかが用いられる。   On the other hand, the fuel separator 9 includes a fuel gas flow groove 8 for flowing fuel gas to the fuel electrode 4, and the oxidant separator 11 includes an oxidant gas flow groove 10 for flowing oxidant gas to the oxidant electrode 7. In the electrode reaction, the gas is discharged to the outside through the oxidant gas flow groove 10 generated by the oxidant electrode 7. Since both separators 9 and 11 are required to have excellent conductivity, airtightness, heat resistance, workability, strength, and the like, for example, a metal plate subjected to corrosion treatment, a high-density carbon plate, Alternatively, any one of a composite plate of carbon and resin is used.

燃料電池(単電池)12に、燃料ガスとして、例えば水素含有ガスを燃料ガス流通溝8を介して燃料電極4に供給するとともに、酸化剤ガスとして、例えば空気を酸化剤ガス流通溝10を介して酸化剤電極7に供給し、外部回路より電流を取り出すと、燃料電極4では、水素はプロトン(H)となり(アノード反応)、水を伴って固体高分子電解質膜1中を燃料電極4側から酸化剤電極7側に向って移動し、酸化剤電極7で酸素と反応して水を生成する(カソード反応)。このことから、固体高分子型燃料電池では、固体高分子電解質膜1を飽和状態に含水させることにより、固体高分子電解質膜1の比抵抗が小さくなり、プロトン導電性電解質として機能させている。そして、燃料電池(単電池)12の起動電力を高めて、発電効率を高く維持させるためには、反応ガスを加湿して湿度を高めてから燃料電池に供給したり、反応ガスと一緒に液体状態の水を加えて電池内部で反応熱によって水を蒸発させたりすることで、固体高分子電解質膜1からの水の蒸発を抑え、膜の乾燥を防止している。 The fuel cell (unit cell) 12 is supplied with, for example, a hydrogen-containing gas as a fuel gas to the fuel electrode 4 through the fuel gas circulation groove 8, and air is supplied as the oxidant gas, for example, through the oxidant gas circulation groove 10. When the current is taken out from the external circuit and supplied to the oxidant electrode 7, hydrogen becomes protons (H + ) in the fuel electrode 4 (anode reaction), and the fuel electrode 4 passes through the solid polymer electrolyte membrane 1 with water. It moves from the side toward the oxidant electrode 7 and reacts with oxygen at the oxidant electrode 7 to generate water (cathode reaction). For this reason, in the polymer electrolyte fuel cell, the solid polymer electrolyte membrane 1 is hydrated in a saturated state, whereby the specific resistance of the solid polymer electrolyte membrane 1 is reduced and functions as a proton conductive electrolyte. In order to increase the starting power of the fuel cell (unit cell) 12 and maintain high power generation efficiency, the reaction gas is humidified to increase the humidity and then supplied to the fuel cell, or a liquid together with the reaction gas. By adding water in a state and evaporating water by reaction heat inside the battery, evaporation of water from the solid polymer electrolyte membrane 1 is suppressed and drying of the membrane is prevented.

他方、酸化剤電極7の酸化剤触媒層5内において、電極反応によって生成される水は、余剰の反応ガスとともに、燃料ガス流通溝8および酸化剤ガス流通溝10を流れて電池の外部に排出される。その際、酸化剤ガス中に含まれる水分量は、入口側で、酸化剤ガスの湿度を高めて電池内に供給すると、出口側での湿度が飽和蒸気圧を超えて過飽和になり、水が酸化剤電極7を塞ぐ(フラッディング)。その結果、酸化剤触媒層5へのガスの拡散が阻害され、電池反応が妨げられ、起電力の低下を招く。   On the other hand, the water produced by the electrode reaction in the oxidant catalyst layer 5 of the oxidant electrode 7 flows along with the surplus reaction gas through the fuel gas flow groove 8 and the oxidant gas flow groove 10 and is discharged to the outside of the battery. Is done. At that time, if the moisture content in the oxidant gas is increased in the oxidant gas on the inlet side and supplied into the battery, the humidity on the outlet side exceeds the saturated vapor pressure and becomes supersaturated. The oxidant electrode 7 is blocked (flooding). As a result, the diffusion of gas to the oxidant catalyst layer 5 is inhibited, the cell reaction is hindered, and the electromotive force is reduced.

また、酸化剤ガスは、入口部で、酸化剤ガスの湿度を低く抑えて電池内に供給すると、入口側近くの酸化剤触媒層5が乾燥状態となり、電池反応に寄与する酸化剤触媒層5の比表面積が減少し、起電力の低下を招く。さらに、入口側近くの固体高分子電解質膜1も乾燥し、固体高分子電解質膜1の比抵抗が大きくなり、プロトン伝導性電解質としての機能も低下し、相乗的に、起電力を低下させる要因になっている。   Further, when the oxidant gas is supplied into the battery while keeping the humidity of the oxidant gas low at the inlet, the oxidant catalyst layer 5 near the inlet side becomes dry, and the oxidant catalyst layer 5 contributes to the battery reaction. The specific surface area is reduced, and the electromotive force is lowered. Furthermore, the solid polymer electrolyte membrane 1 near the inlet side is also dried, the specific resistance of the solid polymer electrolyte membrane 1 is increased, the function as a proton conductive electrolyte is lowered, and the factors that lower the electromotive force synergistically. It has become.

このように、燃料電池では、フラッディング防止などの水分調節が重要課題となっている。   Thus, in the fuel cell, moisture control such as prevention of flooding is an important issue.

そこで、下記特許文献1には、固体電解質膜と、前記固体電解質膜を挟んで対向して設けられた液体燃料を酸化する触媒層およびガス拡散層を有するアノードと、酸素を還元する触媒層およびガス拡散層を有するカソードとを単位セルとして備え、保護カバー内に前記単位セルを単数または面方向に複数配置してなる携帯機器用燃料電池において、カソード側の前記保護カバーに開口し、かつ前記固体電解質膜の周囲の間隙に連通する吸水口を有し、前記カソードガス拡散層は親水性領域および撥水性領域を有し、前記カソードガス拡散層の反応面において前記撥水性領域が前記親水性領域中に分散して配置されている携帯機器用燃料電池が開示されている。   Therefore, in Patent Document 1 below, a solid electrolyte membrane, an anode having a catalyst layer and a gas diffusion layer that oxidize liquid fuel provided opposite to each other across the solid electrolyte membrane, a catalyst layer that reduces oxygen, and And a cathode having a gas diffusion layer as a unit cell, and in a fuel cell for a portable device in which a single unit cell or a plurality of unit cells are arranged in a surface direction in a protective cover, the cathode covers the protective cover; and The cathode gas diffusion layer has a hydrophilic region and a water-repellent region, and the water-repellent region on the reaction surface of the cathode gas diffusion layer has the hydrophilic property. A fuel cell for a portable device that is distributed in the region is disclosed.

また、下記特許文献2には、触媒層の外側に配置した、導電性部材と撥水性部材と吸水性部材とよりなるガス拡散層を有する燃料電池において、上記酸素極および燃料極のうちの少なくとも一方の上記ガス拡散層中の上記吸水性部材は、分子内にスルホン基、カルボキシル基またはアンモニウム基のイオン性基、あるいは、カルボニル基、ヒドロキシ基またはオキシ基の極性基を持つ極性非電解質高分子、電解質高分子、吸水性天然繊維、および粘土鉱物のうちの少なくとも1種よりなる燃料電池が開示されている。   Further, in Patent Document 2 below, in a fuel cell having a gas diffusion layer composed of a conductive member, a water-repellent member, and a water-absorbing member, disposed at the outside of the catalyst layer, at least one of the oxygen electrode and the fuel electrode. The water-absorbing member in one of the gas diffusion layers is a polar non-electrolytic polymer having a sulfonic group, carboxyl group or ammonium group ionic group, or a carbonyl group, hydroxy group or oxy group polar group in the molecule. A fuel cell comprising at least one of electrolyte polymer, water-absorbing natural fiber, and clay mineral is disclosed.

更に、下記特許文献3には、燃料電池の生成水調整層(撥水層)の表面に水膜が形成されることを防止し、燃料電池の出力を安定させることを目的として、燃料電池の空気極において、生成水調整層(撥水層)と反応層との間に中間層を設け、この中間層は撥水性材料と親水性材料とを有し、生成水調整層側から反応層にむけて撥水性材料の濃度が小さくなるよう該撥水性材料濃度に勾配が設けられている燃料電池が開示されている。   Further, in Patent Document 3 below, for the purpose of preventing the formation of a water film on the surface of the generated water adjustment layer (water repellent layer) of the fuel cell and stabilizing the output of the fuel cell, In the air electrode, an intermediate layer is provided between the generated water adjustment layer (water repellent layer) and the reaction layer, and this intermediate layer has a water repellent material and a hydrophilic material, and is formed from the generated water adjustment layer side to the reaction layer. Therefore, a fuel cell is disclosed in which the concentration of the water repellent material is provided with a gradient so that the concentration of the water repellent material is reduced.

特開2006−269130号公報JP 2006-269130 A 特許第3331706号公報Japanese Patent No. 3331706 特開2003−59498号公報JP 2003-59498 A

従来の拡散層(GDL)には、吸湿性材料を含まないGDLの他に、電解質溶液とカーボンの混合物により形成された水管理層を有するGDLなどがあった。   The conventional diffusion layer (GDL) includes GDL having a water management layer formed of a mixture of an electrolyte solution and carbon, in addition to GDL not containing a hygroscopic material.

MEGAのロバスト性を向上させるためには、GDLにおける水管理を向上させる必要がある。このニーズに対し、GDLの一部にナフィオン(商標名)とカーボンの混合物からなる水管理層を設けたとしても、実際には、十分な保水能力を確保しようとすると、ガス拡散性を阻害し、出力低下を発生させてしまい、逆にガス拡散性を確保しようとすると狙いである保水能力が期待通り得られないという問題があった。   In order to improve the robustness of MEGA, it is necessary to improve water management in GDL. In response to this need, even if a water management layer consisting of a mixture of Nafion (trade name) and carbon is provided as part of the GDL, in reality, if sufficient water retention capacity is to be secured, gas diffusibility is hindered. However, if the output is reduced and the gas diffusibility is to be secured, there is a problem that the target water retention ability cannot be obtained as expected.

上記背反が発生する理由は、電解質樹脂の添加法として液状の電解質ソリューションを用い、GDLに含浸もしくは塗工したり、あらかじめカーボンなどの材料と混合したペーストを塗工したりすることで形成しているためである。この方法だと電解質樹脂が乾燥する際にGDL内の細孔をふさいでしまうような皮膜を形成し、ガス拡散を阻害してしまうためである。   The reason why the above-mentioned contradiction occurs is that it is formed by using a liquid electrolyte solution as a method of adding an electrolyte resin, impregnating or coating GDL, or applying a paste previously mixed with a material such as carbon. Because it is. This is because, when the electrolyte resin is dried, a film that blocks the pores in the GDL is formed, and gas diffusion is hindered.

そこで、本発明は、十分なガス拡散性を確保しつつ、耐フラッディング性を向上させた微多孔質層(マイクロポーラス層:MPL)付き膜電極接合体(MEGA)を形成し、これにより電極面内の反応を均一化する技術を提供することを目的とする。   Therefore, the present invention forms a membrane electrode assembly (MEGA) with a microporous layer (microporous layer: MPL) that has improved flooding resistance while ensuring sufficient gas diffusivity, whereby the electrode surface An object of the present invention is to provide a technique for homogenizing the internal reaction.

本発明者は、膜電極接合体(MEGA)の微多孔質層(マイクロポーラス層:MPL)を親水性と撥水性を併せ持つ特定構造の粒子(粉体)で形成することにより上記課題が解決されることを見出し、本発明に到達した。   The present inventor solves the above problems by forming a microporous layer (microporous layer: MPL) of a membrane electrode assembly (MEGA) with particles (powder) having a specific structure having both hydrophilicity and water repellency. The present invention was reached.

即ち、第1に、本発明は、固体高分子電解質型燃料電池のガス拡散層(GDL)に適用される微多孔質層(マイクロポーラス層:MPL)の発明であって、微多孔質層(マイクロポーラス層:MPL)が吸水性コアと撥水性多孔シェルからなるコア・シェル構造を有する粉体から形成されている。   That is, first, the present invention is an invention of a microporous layer (microporous layer: MPL) applied to a gas diffusion layer (GDL) of a solid polymer electrolyte fuel cell. The microporous layer (MPL) is formed of a powder having a core / shell structure including a water-absorbent core and a water-repellent porous shell.

第2に、固体高分子電解質型燃料電池に適用されるガス拡散層(GDL)の発明であって、触媒層上に配置され、吸水性コアと撥水性多孔シェルからなるコア・シェル構造を有する粉体から形成された微多孔質層(マイクロポーラス層:MPL)と、所望により更に、該微多孔質層上に配置された酸化剤ガス拡散基材(GDL基材)とを備える。   Second, the invention of a gas diffusion layer (GDL) applied to a solid polymer electrolyte fuel cell has a core-shell structure that is disposed on a catalyst layer and includes a water-absorbing core and a water-repellent porous shell. A microporous layer (microporous layer: MPL) formed from the powder, and an oxidant gas diffusion base material (GDL base material) disposed on the microporous layer as required.

本発明のガス拡散層(GDL)は、吸水性コアと擁水性多孔シェルの構造を有する粉体からなるMPL(マイクロポラス層)を形成することで、MPL内の液水によるフラッディングを回避しつつ、適度な相対湿度を維持する。この結果、高いロバスト性を発現する。   The gas diffusion layer (GDL) of the present invention avoids flooding due to liquid water in the MPL by forming an MPL (microporous layer) made of powder having a water-absorbing core and a water-absorbing porous shell structure. Maintain moderate relative humidity. As a result, high robustness is expressed.

本発明で用いられる、吸水性コアと撥水性多孔シェルからなるコア・シェル構造を有する粉体としては、具体的には、前記吸水性コアがナフィオン(商標名)などのパーフルオロカーボンスルホン酸ポリマーからなり、前記撥水性多孔シェルがカーボンとフッ素系樹脂からなるコア・シェル構造を有する粉体が好ましく例示される。   As the powder having a core / shell structure comprising a water-absorbent core and a water-repellent porous shell used in the present invention, specifically, the water-absorbent core is made of a perfluorocarbon sulfonic acid polymer such as Nafion (trade name). Thus, a powder having a core-shell structure in which the water-repellent porous shell is made of carbon and a fluorine-based resin is preferably exemplified.

第3に、本発明は、固体高分子電解質型燃料電池に適用される微多孔質層(マイクロポーラス層:MPL)付き膜電極接合体(MEGA)の発明であって、電解質膜上に配置された触媒層と、該触媒層上に配置され、吸水性コアと撥水性多孔シェルからなるコア・シェル構造を有する粉体から形成された微多孔質層(マイクロポーラス層:MPL)と、所望により更に、該微多孔質層上に配置された酸化剤ガス拡散基材(GDL基材)と、を備える。   Third, the present invention is an invention of a membrane electrode assembly (MEGA) with a microporous layer (microporous layer: MPL) applied to a solid polymer electrolyte fuel cell, and is disposed on the electrolyte membrane. A catalyst layer, and a microporous layer (microporous layer: MPL) formed on the catalyst layer and formed from a powder having a core-shell structure composed of a water-absorbent core and a water-repellent porous shell, if desired And an oxidant gas diffusion base material (GDL base material) disposed on the microporous layer.

本発明の膜電極接合体(MEGA)の特性、及び吸水性コアと撥水性多孔シェルからなるコア・シェル構造を有する粉体の例示は上述の通りである。   Examples of the characteristics of the membrane electrode assembly (MEGA) of the present invention and the powder having a core / shell structure comprising a water-absorbent core and a water-repellent porous shell are as described above.

第4に、本発明は、上記のガス拡散電極を備えた固体高分子電解質型燃料電池である。   4thly, this invention is a solid polymer electrolyte fuel cell provided with said gas diffusion electrode.

本発明の微多孔質層(マイクロポーラス層:MPL)、ガス拡散層(GDL)、及び微多孔質層(マイクロポーラス層:MPL)付き膜電極接合体(MEGA)は、吸水性コアと擁水性多孔シェルの構造を有する粉体からなるMPL(マイクロポラス層)を形成することで、MPL内の液水によるフラッディングを回避しつつ、適度な相対湿度を維持する。この結果、高いロバスト性を発現する。   The membrane electrode assembly (MEGA) with a microporous layer (microporous layer: MPL), a gas diffusion layer (GDL), and a microporous layer (microporous layer: MPL) of the present invention has a water-absorbing core and a water-absorbing core. By forming an MPL (microporous layer) made of powder having a porous shell structure, moderate relative humidity is maintained while avoiding flooding due to liquid water in the MPL. As a result, high robustness is expressed.

図3及び図4を用いて、本発明の微多孔質層(マイクロポーラス層:MPL)付き膜電極接合体(MEGA)を模式的に説明する。   A membrane electrode assembly (MEGA) with a microporous layer (microporous layer: MPL) of the present invention will be schematically described with reference to FIGS. 3 and 4.

図3に、本発明の微多孔質層(マイクロポーラス層:MPL)付き膜電極接合体(MEGA)の多孔層に用いる、吸水性コアと撥水性多孔シェルからなるコア・シェル構造を有する粉体の模式図を示す。図3に示すように、ナフィオン(商標名)などの吸水性材料からなる吸水性コアを内層とし、カーボンブラックとPVDFなどからなる撥水多孔シェルが外層となっている。   FIG. 3 shows a powder having a core / shell structure composed of a water-absorbent core and a water-repellent porous shell, which is used for a porous layer of a membrane electrode assembly (MEGA) with a microporous layer (microporous layer: MPL) of the present invention. The schematic diagram of is shown. As shown in FIG. 3, a water-absorbing core made of a water-absorbing material such as Nafion (trade name) is used as an inner layer, and a water-repellent porous shell made of carbon black and PVDF is used as an outer layer.

図4に、本発明の微多孔質層(マイクロポーラス層:MPL)付き膜電極接合体(MEGA)を模式的に説明する。図4に示すように、本発明の微多孔質層(マイクロポーラス層:MPL)付き膜電極接合体(MEGA)は、カソード側が、電解質膜上に配置されたカソード触媒層と、該カソード触媒層上に配置され、吸水性コアと撥水性多孔シェルからなるコア・シェル構造を有する粉体から形成された微多孔質層(マイクロポーラス層:MPL)と、該微多孔質層上に配置された酸化剤ガス拡散基材(GDL基材)と、を備えている。   FIG. 4 schematically illustrates a membrane electrode assembly (MEGA) with a microporous layer (microporous layer: MPL) of the present invention. As shown in FIG. 4, a membrane electrode assembly (MEGA) with a microporous layer (microporous layer: MPL) of the present invention includes a cathode catalyst layer having a cathode side disposed on an electrolyte membrane, and the cathode catalyst layer. A microporous layer (microporous layer: MPL) formed from a powder having a core / shell structure composed of a water-absorbing core and a water-repellent porous shell, and disposed on the microporous layer An oxidant gas diffusion base material (GDL base material).

吸水性樹脂をコアとし表面に撥水多孔性のシェルを有する粉末からMPLを形成することにより、MPLに疎水性表面のマクロ細孔を形成でき、液水の閉塞によるフラッディングを抑制し、ガス拡散を確保できると同時に、気相での給排水によりMPL内の相対湿度を適度に維持する水管理能力を付与できる。   By forming MPL from powder having a water-absorbent resin as a core and a water-repellent porous shell on the surface, it is possible to form macroscopic pores on the hydrophobic surface in MPL, suppressing flooding due to clogging of liquid water, and gas diffusion Can be secured, and at the same time, the water management ability to appropriately maintain the relative humidity in the MPL can be provided by water supply / drainage in the gas phase.

以下、本発明の実施例と比較例を説明する。
[実施例]
基材として厚さ約150μmのカーボンペーパを準備し、撥水処理としてPTFEのディスバージョンを固形分で5%含浸させ、常温で乾燥させ、さらにこれをN雰囲気で350℃で焼成した。
Examples of the present invention and comparative examples will be described below.
[Example]
Carbon paper having a thickness of about 150 μm was prepared as a substrate, PTFE disversion was impregnated with a solid content of 5% as a water-repellent treatment, dried at room temperature, and further fired at 350 ° C. in an N 2 atmosphere.

次に、MPL粉体の吸水コアとして市販のナフィオン(商標名)溶液をスプレードライヤーで造粒し、平均粒径で約5μmのナフィオン粉末を作製した。このナフィオン粉末と、平均粒径(1次粒径)約40μmのアセチレンブラック、PVDFを固形分重量比で1:2:1になるように配合し、溶媒としてNMPを添加してPVDFを溶解しつつ混合しインク状の分散液を作成した。   Next, a commercially available Nafion (trade name) solution as a water-absorbing core of MPL powder was granulated with a spray dryer to prepare Nafion powder having an average particle size of about 5 μm. This Nafion powder, acetylene black having an average particle size (primary particle size) of about 40 μm, and PVDF were blended at a solid content weight ratio of 1: 2: 1, and NMP was added as a solvent to dissolve PVDF. While mixing, an ink-like dispersion was prepared.

このインクをスプレードライヤーにより造粒した。これにより内部にナフィオーンコアを持ち、表層がPVDFとカーボンの撥水多孔層である平均粒径10μmの撥水粉体を得た。   This ink was granulated with a spray dryer. As a result, a water-repellent powder having an average particle diameter of 10 μm having a Nafion core inside and a surface layer of a water-repellent porous layer of PVDF and carbon was obtained.

この撥水粉体を前述の撥水処理したカーボンペーパ上に積層し、140℃、3MPaの熱圧を付与することでMPLを形成した。   This water-repellent powder was laminated on the water-repellent carbon paper described above, and an MPL was formed by applying a hot pressure of 140 ° C. and 3 MPa.

このMPLと触媒を、表面にコートしたMEA(電解質膜NR112、触媒目付け0.5mgPt/cm)とをホットプレスにより接合し、MEGA1とした。 This MPL and MEA (electrolyte membrane NR112, catalyst basis weight 0.5 mg Pt / cm 2 ) coated on the surface of this MPL and the catalyst were joined by hot pressing to obtain MEGA1.

[比較例1]
基材として厚さ約150μmのカーボンペーパを準備し、撥水処理としてPTFEのディスバージョンを固形分で5%含浸させ、常温で乾燥させた。
[Comparative Example 1]
A carbon paper having a thickness of about 150 μm was prepared as a base material, and PTFE disversion was impregnated with a solid content of 5% as a water repellent treatment and dried at room temperature.

次にMPLとして、平均粒径(1次粒径)約40μmのアセチレンブラックとPTFEのディスバージョンを固形分比率で℃:PTFE=1:1となるように配合し、分散助剤を加えてペースト状にしたものをダイコータによりコートし常温で乾燥させた。さらにこれをN雰囲気で350℃で焼成した。 Next, as an MPL, a dispersion of acetylene black having an average particle size (primary particle size) of about 40 μm and PTFE is blended so that the solid content ratio is ° C.:PTFE=1:1, and a paste is added with a dispersion aid. The resulting product was coated with a die coater and dried at room temperature. Furthermore, this was baked at 350 ° C. in an N 2 atmosphere.

このGDLと、触媒を表面にコートしたMEA(電解質膜NR112、触媒目付け0.5mgPt/cm)とをホットプレスにより接合し、MEGA2とした。 This GDL and MEA (electrolyte membrane NR112, catalyst basis weight 0.5 mgPt / cm 2 ) coated on the surface of the GDL were joined by hot pressing to form MEGA2.

[比較例2]
比較例1と同様に基材処理、MPL形成を実施した後、ナフィオン溶液と平均粒径(1次粒径)約40μmのアセチレンブラックとを固形分で1:1の比率で混合したインク状の分散液をスプレーで撥水層上にコーテイングし水管理層を形成した。このときのナフィオン添加量は実施例と同一である。
[Comparative Example 2]
After carrying out the substrate treatment and MPL formation in the same manner as in Comparative Example 1, an Nafion solution and acetylene black having an average particle size (primary particle size) of about 40 μm were mixed at a ratio of 1: 1 in terms of solid content. The dispersion was coated on the water repellent layer by spraying to form a water management layer. The amount of Nafion added at this time is the same as in the example.

このGDLと、触媒を表面コートしたMEA(電解質膜NR112、触媒目付け0.5mgPt/cm)とをホットプレスにより接合し、MEGA3とした。 This GDL and MEA (electrolyte membrane NR112, catalyst basis weight 0.5 mgPt / cm 2 ) coated with a surface of the catalyst were joined by hot pressing to form MEGA3.

図5に、上記MEGA1、MEGA2、MEGA3を放電評価した結果を示す。図5では両極無加湿で放電させたときの電圧を縦軸に、横軸に、冷却水出口温度をプロットしている。図5の結果より、MEGA1(実施例)は比較のMEGA2(比較例1)、MEGA3(比較例2)に対して全域で性能が上回っていることが分かる。   FIG. 5 shows the results of discharge evaluation of the MEGA1, MEGA2, and MEGA3. In FIG. 5, the voltage at the time of discharging without bipolar humidification is plotted on the vertical axis, and the cooling water outlet temperature is plotted on the horizontal axis. From the results of FIG. 5, it can be seen that the performance of MEGA 1 (Example) is superior to the comparative MEGA 2 (Comparative Example 1) and MEGA 3 (Comparative Example 2) in the entire region.

吸水性コアと擁水性多孔シェルの構造を有する粉体からなるMPL(マイクロポラス層)を形成することで、MPL内の液水によるフラッディングを回避しつつ、適度な相対湿度を維持することができ、高いロバスト性を発現することができた。これにより、燃料電池の発電効率の性能を向上させ、燃料電池の実用化と普及に貢献する。   By forming an MPL (microporous layer) made of powder having a water-absorbent core and a water-absorbing porous shell structure, moderate relative humidity can be maintained while avoiding flooding due to liquid water in the MPL. It was possible to express high robustness. This improves the performance of the power generation efficiency of the fuel cell and contributes to the practical application and spread of the fuel cell.

固体高分子型燃料電池の構成を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the structure of a polymer electrolyte fuel cell. 多孔層(MPL)を有する固体高分子型燃料電池の構成を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the structure of the polymer electrolyte fuel cell which has a porous layer (MPL). 本発明の微多孔質層(マイクロポーラス層:MPL)付き膜電極接合体(MEGA)の多孔層に用いる、吸水性コアと撥水性多孔シェルからなるコア・シェル構造を有する粉体の模式図である。FIG. 2 is a schematic diagram of a powder having a core-shell structure composed of a water-absorbent core and a water-repellent porous shell, used for a porous layer of a membrane electrode assembly (MEGA) with a microporous layer (microporous layer: MPL) of the present invention. is there. 本発明の微多孔質層(マイクロポーラス層:MPL)付き膜電極接合体(MEGA)の模式図である。It is a schematic diagram of a membrane electrode assembly (MEGA) with a microporous layer (microporous layer: MPL) of the present invention. 実施例、比較例1、比較例2のMEGAの放電評価結果を示す。The discharge evaluation result of MEGA of an Example, the comparative example 1, and the comparative example 2 is shown.

Claims (7)

固体高分子電解質型燃料電池のガス拡散層(GDL)に適用される微多孔質層(マイクロポーラス層:MPL)であって、吸水性コアと撥水性多孔シェルからなるコア・シェル構造を有する粉体から形成された微多孔質層(マイクロポーラス層:MPL)であることを特徴とする微多孔質層(マイクロポーラス層:MPL)。   A microporous layer (microporous layer: MPL) applied to a gas diffusion layer (GDL) of a solid polymer electrolyte fuel cell, and having a core-shell structure comprising a water-absorbing core and a water-repellent porous shell A microporous layer (microporous layer: MPL), which is a microporous layer (microporous layer: MPL) formed from a body. 前記吸水性コアがパーフルオロカーボンスルホン酸ポリマーからなり、前記撥水性多孔シェルがカーボンとフッ素系樹脂からなることを特徴とする請求項1に記載の微多孔質層(マイクロポーラス層:MPL)。   The microporous layer (microporous layer: MPL) according to claim 1, wherein the water-absorbing core is made of a perfluorocarbon sulfonic acid polymer, and the water-repellent porous shell is made of carbon and a fluorine-based resin. 固体高分子電解質型燃料電池に適用されるガス拡散層(GDL)であって、カソード触媒層上に配置され、吸水性コアと撥水性多孔シェルからなるコア・シェル構造を有する粉体から形成された微多孔質層(マイクロポーラス層:MPL)と、該微多孔質層上に配置されたガス拡散基材(GDL基材)と、を備えることを特徴とするガス拡散層(GDL)。   A gas diffusion layer (GDL) applied to a solid polymer electrolyte fuel cell, which is formed on a cathode catalyst layer and formed from a powder having a core / shell structure comprising a water-absorbing core and a water-repellent porous shell. A gas diffusion layer (GDL) comprising: a microporous layer (microporous layer: MPL); and a gas diffusion base material (GDL base material) disposed on the microporous layer. 前記吸水性コアがパーフルオロカーボンスルホン酸ポリマーからなり、前記撥水性多孔シェルがカーボンとフッ素系樹脂からなることを特徴とする請求項3に記載のガス拡散層(GDL)。   The gas diffusion layer (GDL) according to claim 3, wherein the water-absorbent core is made of a perfluorocarbon sulfonic acid polymer, and the water-repellent porous shell is made of carbon and a fluorine-based resin. 固体高分子電解質型燃料電池に適用される微多孔質層(マイクロポーラス層:MPL)付き膜電極接合体(MEGA)であって、電解質膜上に配置された触媒層と、該触媒層上に配置され、吸水性コアと撥水性多孔シェルからなるコア・シェル構造を有する粉体から形成された微多孔質層(マイクロポーラス層:MPL)と、を備えることを特徴とする膜電極接合体(MEGA)。   A membrane electrode assembly (MEGA) with a microporous layer (microporous layer: MPL) applied to a solid polymer electrolyte fuel cell, a catalyst layer disposed on the electrolyte membrane, and a catalyst layer on the catalyst layer And a microporous layer (microporous layer: MPL) formed from a powder having a core-shell structure composed of a water-absorbing core and a water-repellent porous shell. MEGA). 前記吸水性コアがパーフルオロカーボンスルホン酸ポリマーからなり、前記撥水性多孔シェルがカーボンとフッ素系樹脂からなることを特徴とする請求項5に記載の膜電極接合体(MEGA)。   The membrane electrode assembly (MEGA) according to claim 5, wherein the water-absorbent core is made of a perfluorocarbon sulfonic acid polymer, and the water-repellent porous shell is made of carbon and a fluorine-based resin. 請求項5又は6に記載の膜電極接合体(MEGA)を備えた固体高分子電解質型燃料電池。   A solid polymer electrolyte fuel cell comprising the membrane electrode assembly (MEGA) according to claim 5 or 6.
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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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