JP2009004207A - Gas diffusion layer and manufacturing method therefor, and fuel cell, and manufacturing method therefor - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a gas diffusion layer capable of improving a water draining property; its manufacturing method; a fuel cell provided with the gas diffusion layer, and to provide its manufacturing method. <P>SOLUTION: This gas diffusion layer 1 includes a diffusion layer base material 2 containing a carbon material, and a water-repellent layer 3 formed on a surface of the diffusion layer base material 2, wherein a carbon material and a water-repellent resin are included in the water-repellent layer 3, and a hot-water treatment is applied to the diffusion layer base material 2 and the water-repellent layer 3. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は、ガス拡散層及びその製造方法、並びに、当該ガス拡散層を備える燃料電池及びその製造方法に関する。   The present invention relates to a gas diffusion layer and a manufacturing method thereof, and a fuel cell including the gas diffusion layer and a manufacturing method thereof.

燃料電池は、電解質層(以下「電解質膜」という。)と、電解質膜の両面側にそれぞれ配設される電極(アノード及びカソード)とを備える膜電極構造体(以下「MEA」ということがある。)で電気化学反応を起こし、当該電気化学反応により発生した電気エネルギーを、MEAの両側にそれぞれ配設される集電体を介して外部に取り出す装置である。燃料電池の中でも、家庭用コージェネレーション・システムや自動車等に使用される固体高分子型燃料電池(以下「PEFC」ということがある。)は、低温領域での運転が可能という特徴を有している。このPEFCは、高いエネルギー変換効率を示し、起動時間が短く、かつシステムが小型軽量であることから、電気自動車の動力源や携帯用電源として注目されている。   A fuel cell may be referred to as a membrane electrode structure (hereinafter referred to as “MEA”) including an electrolyte layer (hereinafter referred to as “electrolyte membrane”) and electrodes (anode and cathode) respectively disposed on both sides of the electrolyte membrane. )), And an electric energy generated by the electrochemical reaction is taken out to the outside through current collectors arranged on both sides of the MEA. Among fuel cells, polymer electrolyte fuel cells (hereinafter sometimes referred to as “PEFC”) used in household cogeneration systems and automobiles have the feature that they can be operated in a low temperature range. Yes. This PEFC has been attracting attention as a power source and portable power source for electric vehicles because of its high energy conversion efficiency, short start-up time, and small and light system.

PEFCの単セルは、MEAと、当該MEAを狭持する一対の集電体とを備え、MEAには、含水状態に保たれることによりプロトン伝導性能を発現するプロトン伝導性ポリマーが含有される。PEFCの運転時には、アノードに水素含有ガス(以下「水素」という。)が、カソードに酸素含有ガス(以下「空気」という。)が、それぞれ供給される。アノードへと供給された水素は、アノードの触媒層(以下「アノード触媒層」ということがある。)に含まれる触媒の作用下でプロトンと電子に分離し、水素から生じたプロトンは、アノード触媒層及び電解質膜を通ってカソードの触媒層(以下「カソード触媒層」ということがある。)へと達する。一方、電子は、外部回路を通ってカソード触媒層へと達し、かかる過程を経ることにより、電気エネルギーを取り出すことが可能になる。そして、カソード触媒層へと達したプロトン及び電子と、カソード触媒層へと供給される酸素とが反応することにより、水が生成される。   A single cell of PEFC includes an MEA and a pair of current collectors that sandwich the MEA, and the MEA contains a proton conductive polymer that exhibits proton conductivity by being kept in a water-containing state. . During operation of the PEFC, a hydrogen-containing gas (hereinafter referred to as “hydrogen”) is supplied to the anode, and an oxygen-containing gas (hereinafter referred to as “air”) is supplied to the cathode. The hydrogen supplied to the anode is separated into protons and electrons under the action of the catalyst contained in the catalyst layer of the anode (hereinafter also referred to as “anode catalyst layer”). It reaches the cathode catalyst layer (hereinafter also referred to as “cathode catalyst layer”) through the layer and the electrolyte membrane. On the other hand, electrons reach the cathode catalyst layer through an external circuit, and through such a process, electric energy can be extracted. Then, the protons and electrons that have reached the cathode catalyst layer react with oxygen supplied to the cathode catalyst layer, thereby generating water.

PEFCで電気エネルギーを取り出すには、アノード触媒層へ水素が、カソード触媒層へ酸素が、それぞれ供給されることが必要とされ、PEFCの発電性能を向上させるためには、アノード触媒層へ水素が均一に供給されるとともに、カソード触媒層へ酸素が均一に供給されることが必要とされる。かかる観点から、PEFCの単セルには、アノード触媒層と集電体との間、及び/又は、カソード触媒層と集電体との間に、電子伝導性及びガス透過性を有するガス拡散層が配設される。   In order to extract electric energy with PEFC, hydrogen is required to be supplied to the anode catalyst layer and oxygen is required to be supplied to the cathode catalyst layer. In order to improve the power generation performance of PEFC, hydrogen is required to be supplied to the anode catalyst layer. In addition to being supplied uniformly, oxygen must be supplied uniformly to the cathode catalyst layer. From this point of view, the PEFC single cell has a gas diffusion layer having electron conductivity and gas permeability between the anode catalyst layer and the current collector and / or between the cathode catalyst layer and the current collector. Is disposed.

一方、PEFCを高負荷状態(高電流密度領域)で運転させると、単セル内で多量の水が生成される。単セル内で生成された水(水蒸気)は、単セルの過度の温度上昇を抑制する等の目的で冷却される熱交換部材(例えば、セパレータや冷却管等)と接触することにより結露して液滴の水となり、当該液滴の水は、MEAへと流入し得る。液滴の水が流入することによりMEAが水浸しの状態(フラッディング)になると、反応ガスの拡散が阻害されてPEFCの性能が低下する。それゆえ、MEAの外側に配設されるガス拡散層には、上記性能に加え、さらに、水の流入を低減する性質(撥水性)が必要とされる。このように、PEFCに備えられるガス拡散層には様々な性質が必要とされ、ガス拡散層の性能を制御することにより、PEFCの性能を向上させることが可能になる。   On the other hand, when the PEFC is operated in a high load state (high current density region), a large amount of water is generated in the single cell. The water (steam) generated in the single cell is condensed by contact with a heat exchange member (for example, a separator or a cooling pipe) that is cooled for the purpose of suppressing an excessive temperature rise of the single cell. It becomes droplet water, which can flow into the MEA. When the MEA enters a water-immersion state (flooding) due to the inflow of droplet water, the diffusion of the reaction gas is hindered and the performance of the PEFC is deteriorated. Therefore, the gas diffusion layer disposed outside the MEA is required to have the property of reducing the inflow of water (water repellency) in addition to the above performance. As described above, various properties are required for the gas diffusion layer provided in the PEFC, and it is possible to improve the performance of the PEFC by controlling the performance of the gas diffusion layer.

ガス拡散層に関する技術として、例えば、特許文献1には、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が開示され、親水処理されたカーボン粒子からなる水の浸透経路が開示されている。そして、当該ガス拡散層によれば、排水性を向上させることが可能になる、としている。   As a technique related to a gas diffusion layer, for example, in Patent Document 1, a gas diffusion layer having a water repellent layer on a gas diffusion base material, and a gas diffusion layer having a water permeation path in at least a part of the water repellent layer. Is disclosed, and a water permeation path comprising hydrophilically treated carbon particles is disclosed. According to the gas diffusion layer, it is possible to improve drainage.

特開2006−179317号公報JP 2006-179317 A

PEFCの単セルに備えられる電解質膜は、含水状態下でプロトン伝導性能を発現するため、PEFCの運転時には、通常、加湿された水素及び空気(以下これらをまとめて「反応ガス」ということがある。)が単セルへと供給され、単セルには多くの水が存在する。かかる状態において、特許文献1に開示されたガス拡散層を使用すると、親水処理されたカーボン粒子からなる水の浸透経路に水が留まり易く、ガス拡散層の排水性が低下しやすいという問題があった。また、特許文献1に開示されたガス拡散層を、排水性を向上可能な形態とするには、水の浸透経路の両端をガス拡散層の表面及び裏面へ開口させた形態とする必要があると考えられるが、ガス拡散層の製造時に、水の浸透経路の方向を制御することは困難であるという問題もあった。   The electrolyte membrane provided in a single cell of PEFC exhibits proton conduction performance under water-containing conditions. Therefore, during operation of PEFC, humidified hydrogen and air (hereinafter, these may be collectively referred to as “reactive gas”) .) Is supplied to a single cell, and there is a lot of water in the single cell. In such a state, when the gas diffusion layer disclosed in Patent Document 1 is used, there is a problem that water tends to stay in the water permeation path composed of the carbon particles subjected to hydrophilic treatment, and the drainage performance of the gas diffusion layer is likely to deteriorate. It was. Moreover, in order to make the gas diffusion layer disclosed in Patent Document 1 into a form that can improve drainage, it is necessary to make both ends of the water permeation path open to the front and back surfaces of the gas diffusion layer. However, there is also a problem that it is difficult to control the direction of the water permeation path during the production of the gas diffusion layer.

そこで本発明は、排水性を向上させることが可能なガス拡散層及びその製造方法、並びに、当該ガス拡散層を備える燃料電池及びその製造方法を提供することを課題とする。   Then, this invention makes it a subject to provide the gas diffusion layer which can improve drainage, its manufacturing method, a fuel cell provided with the said gas diffusion layer, and its manufacturing method.

上記課題を解決するために、本発明は以下の手段をとる。すなわち、
第1の本発明は、炭素材料を含有する拡散層基材と、該拡散層基材の表面に形成された撥水層と、を有し、撥水層に、炭素材料及び撥水性樹脂が含有され、拡散層基材及び撥水層に、熱水処理が施されていることを特徴とする、ガス拡散層である。
In order to solve the above problems, the present invention takes the following means. That is,
1st this invention has the diffusion layer base material containing a carbon material, and the water repellent layer formed in the surface of this diffusion layer base material, and a carbon material and water-repellent resin are in a water repellent layer. A gas diffusion layer containing the diffusion layer base material and the water-repellent layer, which has been subjected to hot water treatment.

第1の本発明及び以下に示す本発明(以下「本発明」という。)において、「炭素材料を含有する拡散層基材」とは、換言すれば、拡散層基材を構成する物質に炭素が含有されることを意味する。本発明で使用可能な拡散層基材の具体例としては、カーボンペーパーやカーボンクロス等を挙げることができる。さらに、本発明において、「撥水層」は、撥水性、電子伝導性、及び、ガス透過性を有する層であれば、その形態は特に限定されない。本発明において、撥水層(又は撥水層を構成すべき組成物)に含有される「炭素材料」の具体例としては、気相法炭素繊維(VGCF)、カーボンブラック、カーボンナノチューブ、カーボンナノホーン等を挙げることができる。また、撥水層(又は撥水層を構成すべき組成物)に含有される「撥水性樹脂」の具体例としては、ポリテトラフルオロエチレン樹脂(PTFE)、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樹脂(FEP)、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樹脂(PFA)、テトラフルオロエチレン−エチレン共重合体樹脂(ETFE)、クロロトリフルオロエチレン樹脂(PCTFE)、フルオロビニリデン樹脂(PVDF)等を挙げることができる。さらに、本発明において、「熱水処理」とは、拡散層基材及び撥水層を熱水に浸漬又は拡散層基材及び撥水層に熱水を塗布する等により、拡散層基材及び撥水層に熱水を接触させる処理を意味する。本発明において、「熱水」とは、拡散層基材及び撥水層を有する構造体の撥水性の程度を低減(見かけの接触角を低減)させ得る温度の熱水を意味する。本発明において、熱水の温度としては、40℃以上80℃以下を例示することができる。また、熱水を接触させる時間は、構造体の撥水性の程度を低減(見かけの接触角を低減)させ得る時間であれば特に限定されるものではないが、1時間以上20時間以下とすることが好ましい。   In the first invention and the invention shown below (hereinafter referred to as “the present invention”), the “diffusion layer substrate containing a carbon material” means, in other words, carbon as a substance constituting the diffusion layer substrate. Is contained. Specific examples of the diffusion layer substrate that can be used in the present invention include carbon paper and carbon cloth. Furthermore, in the present invention, the form of the “water-repellent layer” is not particularly limited as long as it is a layer having water repellency, electron conductivity, and gas permeability. In the present invention, specific examples of the “carbon material” contained in the water-repellent layer (or the composition to constitute the water-repellent layer) include vapor grown carbon fiber (VGCF), carbon black, carbon nanotube, and carbon nanohorn. Etc. Specific examples of the “water-repellent resin” contained in the water-repellent layer (or the composition to constitute the water-repellent layer) include polytetrafluoroethylene resin (PTFE), tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer Combined resin (FEP), tetrafluoroethylene-perfluoroalkyl vinyl ether copolymer resin (PFA), tetrafluoroethylene-ethylene copolymer resin (ETFE), chlorotrifluoroethylene resin (PCTFE), fluorovinylidene resin (PVDF) Etc. Furthermore, in the present invention, “hot water treatment” means that the diffusion layer base material and the water repellent layer are immersed in hot water, or hot water is applied to the diffusion layer base material and the water repellent layer, etc. It means a treatment in which hot water is brought into contact with the water repellent layer. In the present invention, “hot water” means hot water at a temperature at which the degree of water repellency of a structure having a diffusion layer substrate and a water repellent layer can be reduced (the apparent contact angle is reduced). In the present invention, the temperature of hot water may be 40 ° C. or higher and 80 ° C. or lower. The time for contacting with hot water is not particularly limited as long as it can reduce the degree of water repellency of the structure (reducing the apparent contact angle), but it is 1 hour or more and 20 hours or less. It is preferable.

上記第1の本発明において、撥水性樹脂に、ポリテトラフルオロエチレン樹脂が含有されることが好ましい。   In the first aspect of the present invention, the water repellent resin preferably contains a polytetrafluoroethylene resin.

第2の本発明は、炭素材料を含有する拡散層基材と、該拡散層基材の表面に形成された撥水層と、を備えるガス拡散層を製造する方法であって、拡散層基材の表面に、炭素材料及び撥水性樹脂を含有する組成物を塗布することにより、拡散層基材の表面に撥水層を形成して構造体を作製する撥水層形成工程と、撥水層形成工程によって作製した構造体を、熱水で処理する熱水処理工程と、を有することを特徴とする、ガス拡散層の製造方法である。   2nd this invention is a method of manufacturing a gas diffusion layer provided with the diffusion layer base material containing a carbon material, and the water-repellent layer formed in the surface of this diffusion layer base material, Comprising: A water repellent layer forming step of forming a water repellent layer on the surface of the diffusion layer base material by applying a composition containing a carbon material and a water repellent resin to the surface of the material; A method for producing a gas diffusion layer, comprising: a hydrothermal treatment step of treating a structure produced by a layer formation step with hot water.

上記第2の本発明において、撥水性樹脂に、ポリテトラフルオロエチレン樹脂が含有されることが好ましい。   In the second aspect of the present invention, the water repellent resin preferably contains a polytetrafluoroethylene resin.

第3の本発明は、膜電極構造体と、該膜電極構造体の少なくとも一方に配設されるガス拡散層と、を備え、ガス拡散層が、上記第1の本発明(変形例を含む)にかかるガス拡散層であることを特徴とする、燃料電池である。   A third aspect of the present invention includes a membrane electrode structure and a gas diffusion layer disposed on at least one of the membrane electrode structures, and the gas diffusion layer includes the first aspect of the present invention (including modifications). And a gas diffusion layer according to claim 1).

本発明において、「膜電極構造体」とは、プロトン伝導性ポリマーを含有する固体高分子膜と、該固体高分子膜の一方の面及び他方の面にそれぞれ形成された触媒層(アノード触媒層及びカソード触媒層)と、を備えるMEAを意味する。さらに、本発明において、「膜電極構造体の少なくとも一方に配設されるガス拡散層」とは、本発明の燃料電池には、アノード触媒層の外側及び/又はカソード触媒層の外側に、上記第1の本発明にかかるガス拡散層が配設されることを意味する。なお、本発明の燃料電池は、ガス拡散層として、上記第1の本発明にかかるガス拡散層のみが備えられる形態に限定されるものではなく、例えば、カソード触媒層の外側に上記第1の本発明にかかるガス拡散層が備えられ、かつ、アノード触媒層の外側に従来のガス拡散層が備えられる形態とすることも可能である。   In the present invention, the “membrane electrode structure” means a solid polymer membrane containing a proton conducting polymer, and a catalyst layer (anode catalyst layer) formed on one surface and the other surface of the solid polymer membrane, respectively. And a cathode catalyst layer). Furthermore, in the present invention, the “gas diffusion layer disposed on at least one of the membrane electrode structures” means that the fuel cell of the present invention has the above-mentioned outside of the anode catalyst layer and / or outside of the cathode catalyst layer. It means that the gas diffusion layer according to the first aspect of the present invention is provided. The fuel cell of the present invention is not limited to a mode in which only the gas diffusion layer according to the first aspect of the present invention is provided as the gas diffusion layer, and for example, the first diffusion layer is disposed outside the cathode catalyst layer. The gas diffusion layer according to the present invention may be provided, and a conventional gas diffusion layer may be provided outside the anode catalyst layer.

第4の本発明は、膜電極構造体と、該膜電極構造体の少なくとも一方に配設されるガス拡散層と、を備える燃料電池を製造する方法であって、上記ガス拡散層が、炭素材料を含有する拡散層基材と、該拡散層基材の表面に形成された撥水層と、を有し、拡散層基材の表面に、炭素材料及び撥水性樹脂を含有する組成物を塗布することにより、拡散層基材の表面に撥水層を形成して構造体を作製する構造体作製工程と、該構造体作製工程によって作製した構造体を熱水で処理することにより、ガス拡散層を作製するガス拡散層作製工程と、膜電極構造体を作製する膜電極構造体作製工程と、該膜電極構造体作製工程によって作製した膜電極構造体の少なくとも一方に、上記ガス拡散層作製工程によって作製したガス拡散層を配設する配設工程と、を備えることを特徴とする、燃料電池の製造方法である。   4th this invention is a method of manufacturing a fuel cell provided with a membrane electrode structure and the gas diffusion layer arrange | positioned in at least one of this membrane electrode structure, Comprising: The said gas diffusion layer is carbon A diffusion layer base material containing a material and a water repellent layer formed on the surface of the diffusion layer base material, and a composition containing a carbon material and a water repellent resin on the surface of the diffusion layer base material By applying, a structure manufacturing step for forming a structure by forming a water repellent layer on the surface of the diffusion layer base material, and by treating the structure manufactured by the structure manufacturing step with hot water, The gas diffusion layer is formed on at least one of a gas diffusion layer production step for producing a diffusion layer, a membrane electrode structure production step for producing a membrane electrode structure, and a membrane electrode structure produced by the membrane electrode structure production step. A disposing step of disposing a gas diffusion layer produced by the producing step; Characterized in that it comprises a a method for manufacturing a fuel cell.

第1の本発明によれば、炭素材料を含有する拡散層基材及び撥水層に熱水処理が施されているので、拡散層基材及び撥水層に含有される炭素材料の撥水性を低減でき、その結果、ガス拡散層の撥水性の程度を低減できる。ガス拡散層の撥水性の程度を低減させると、撥水性の程度が低減される前と比較して、水蒸気及び液滴の水がガス拡散層の内部にまで入り込みやすくなり、水蒸気及び液滴の水との接触面積を増大させた撥水性のガス拡散層を得ることができる。かかる形態のガス拡散層は、多くの水蒸気及び液滴の水と接触することができるので、排水性を向上させることが可能になる。したがって、第1の本発明によれば、排水性を向上させることが可能なガス拡散層を提供できる。   According to the first aspect of the present invention, since the hydrothermal treatment is performed on the diffusion layer base material and the water repellent layer containing the carbon material, the water repellency of the carbon material contained in the diffusion layer base material and the water repellent layer is provided. As a result, the degree of water repellency of the gas diffusion layer can be reduced. When the degree of water repellency of the gas diffusion layer is reduced, compared to before the degree of water repellency is reduced, the water vapor and the water in the droplets easily enter the gas diffusion layer. A water-repellent gas diffusion layer having an increased contact area with water can be obtained. Since the gas diffusion layer of this form can come into contact with a lot of water vapor and water of droplets, it is possible to improve drainage. Therefore, according to 1st this invention, the gas diffusion layer which can improve drainage can be provided.

第1の本発明において、撥水層に含有される撥水性樹脂がポリテトラフルオロエチレン樹脂であることにより、排水性を向上させることが可能なガス拡散層を容易に得ることができる。   In the first aspect of the present invention, when the water-repellent resin contained in the water-repellent layer is a polytetrafluoroethylene resin, a gas diffusion layer capable of improving drainage can be easily obtained.

第2の本発明によれば、炭素材料を含有する拡散層基材及び撥水層を備える構造体を熱水で処理する熱水処理工程が備えられるので、撥水性の程度が低減されたガス拡散層を製造できる。撥水性の程度を低減することにより、水との接触面積を増大させて排水性を向上させることが可能になるので、第2の本発明によれば、排水性を向上させることが可能なガス拡散層を製造し得る、ガス拡散層の製造方法を提供できる。   According to the second aspect of the present invention, since the hot water treatment step of treating the structure including the diffusion layer substrate containing the carbon material and the water repellent layer with hot water is provided, the gas having a reduced degree of water repellency. A diffusion layer can be manufactured. By reducing the degree of water repellency, it becomes possible to increase the drainage by increasing the contact area with water. Therefore, according to the second aspect of the present invention, the gas that can improve the drainage The manufacturing method of a gas diffusion layer which can manufacture a diffusion layer can be provided.

第2の本発明において、撥水層に含有される撥水性樹脂がポリテトラフルオロエチレン樹脂であることにより、排水性を容易に向上させることが可能なガス拡散層を製造し得る、ガス拡散層の製造方法を提供できる。   In the second aspect of the present invention, a gas diffusion layer capable of producing a gas diffusion layer capable of easily improving drainage by making the water-repellent resin contained in the water-repellent layer a polytetrafluoroethylene resin. Can be provided.

第3の本発明にかかる燃料電池には、上記第1の本発明にかかるガス拡散層が備えられる。それゆえ、第3の本発明によれば、排水性を向上させることが可能な燃料電池を提供できる。   The fuel cell according to the third aspect of the present invention includes the gas diffusion layer according to the first aspect of the present invention. Therefore, according to the third aspect of the present invention, a fuel cell capable of improving drainage can be provided.

第4の本発明にかかる燃料電池の製造方法には、炭素材料を含有する拡散層基材及び撥水層を備える構造体を熱水で処理してガス拡散層を作製するガス拡散層作製工程が備えられ、当該ガス拡散層作製工程で作製したガス拡散層を備える燃料電池が製造される。構造体を熱水で処理することにより、排水性を向上させたガス拡散層を作製できるので、第4の本発明によれば、排水性を向上させることが可能な燃料電池を製造し得る、燃料電池の製造方法を提供できる。   In the method of manufacturing a fuel cell according to the fourth aspect of the present invention, a gas diffusion layer manufacturing step of manufacturing a gas diffusion layer by treating a structure including a diffusion layer substrate containing a carbon material and a water repellent layer with hot water. And a fuel cell including the gas diffusion layer manufactured in the gas diffusion layer manufacturing process is manufactured. Since the gas diffusion layer with improved drainage can be produced by treating the structure with hot water, according to the fourth aspect of the present invention, a fuel cell capable of improving drainage can be manufactured. A fuel cell manufacturing method can be provided.

1.ガス拡散層
図1は、本発明のガス拡散層の形態例を概略的に示す断面図である。以下、図1を参照しつつ、本発明のガス拡散層について具体的に説明する。
1. Gas Diffusion Layer FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing an embodiment of the gas diffusion layer of the present invention. Hereinafter, the gas diffusion layer of the present invention will be specifically described with reference to FIG.

図1に示すように、本発明のガス拡散層1は、拡散層基材2と、当該拡散層基材2の表面に形成された撥水層3を備える(以下において熱水処理を施される前の拡散層基材2及び撥水層3を、「拡散層基材2’」及び「撥水層3’」という)。拡散層基材2には、炭素材料が含有され、例えば、カーボンペーパーにより構成される。撥水層3には、炭素材料(例えば、VGCF)及び撥水性樹脂(例えば、ポリテトラフルオロエチレン樹脂)が含有される。そして、拡散層基材2及び撥水層3には、熱水処理(例えば、60℃の熱水に10時間浸漬する処理)が施されている。   As shown in FIG. 1, the gas diffusion layer 1 of the present invention includes a diffusion layer substrate 2 and a water-repellent layer 3 formed on the surface of the diffusion layer substrate 2 (hereinafter, subjected to hydrothermal treatment). The diffusion layer base material 2 and the water repellent layer 3 before the treatment are referred to as “diffusion layer base material 2 ′” and “water repellent layer 3 ′”). The diffusion layer substrate 2 contains a carbon material and is made of, for example, carbon paper. The water repellent layer 3 contains a carbon material (for example, VGCF) and a water repellent resin (for example, polytetrafluoroethylene resin). The diffusion layer substrate 2 and the water repellent layer 3 are subjected to a hot water treatment (for example, a treatment immersed in hot water at 60 ° C. for 10 hours).

熱水処理を施すことにより、熱水又は当該熱水から発生する水蒸気に触れた炭素材料の表面自由エネルギーを増大させることができるので、拡散層基材2’及び撥水層3’の撥水性の程度を低減することが可能になり、撥水性の程度を低減させたガス拡散層1とすることができる。このようにして撥水性の程度を低減させると、撥水性であるガス拡散層1の、水又は水蒸気との接触面積を増大させることができる。水又は水蒸気との接触面積を増大させると、撥水性であるガス拡散層1に、多くの水又は水蒸気を接触させることができるので、ガス拡散層1へ気体を別途供給する等により、ガス拡散層1の表面と接触した多量の水を排出すること(排水性を向上させること)ができる。したがって、本発明によれば、排水性を向上させることが可能な、ガス拡散層1を提供することができる。   By performing the hot water treatment, the surface free energy of the carbon material exposed to the hot water or water vapor generated from the hot water can be increased, so that the water repellency of the diffusion layer base material 2 ′ and the water repellent layer 3 ′ can be increased. The gas diffusion layer 1 with a reduced water repellency can be obtained. When the degree of water repellency is thus reduced, the contact area of water or water vapor with the gas diffusion layer 1 that is water repellant can be increased. When the contact area with water or water vapor is increased, a large amount of water or water vapor can be brought into contact with the water-repellent gas diffusion layer 1, so that gas diffusion can be achieved by supplying gas to the gas diffusion layer 1 separately. A large amount of water in contact with the surface of the layer 1 can be discharged (the drainage performance can be improved). Therefore, according to this invention, the gas diffusion layer 1 which can improve drainage can be provided.

なお、ガス拡散層の、水又は水蒸気との接触面積を増大させるという観点からは、撥水性の程度が低い(親水性の程度が高い)炭素材料を含有する、拡散層基材及び撥水層からなる形態のガス拡散層とすることも考えられる。しかし、かかる形態のガス拡散層は、撥水性が不十分であるため、排水性を向上させることができない。したがって、本発明では、十分な撥水性を有する構造体を作製した後に、熱水処理を施して当該構造体の撥水性の程度を低減することにより、必要とされる撥水性を確保しつつ排水性を向上させることが可能な、ガス拡散層1とする。   In addition, from the viewpoint of increasing the contact area of the gas diffusion layer with water or water vapor, the diffusion layer substrate and the water repellent layer containing a carbon material having a low water repellency (high hydrophilicity). It is also conceivable to form a gas diffusion layer of the form consisting of However, such a gas diffusion layer has insufficient water repellency, and thus cannot improve drainage. Therefore, in the present invention, after producing a structure having sufficient water repellency, the structure is subjected to hot water treatment to reduce the degree of water repellency of the structure, thereby ensuring drainage while ensuring the required water repellency. It is set as the gas diffusion layer 1 which can improve property.

2.ガス拡散層の製造方法
図2は、本発明のガス拡散層の製造方法に備えられる工程を概略的に示すフローチャートである。図3は、撥水層形成工程の形態例を示す概念図である。以下、図1乃至図3を参照しつつ、本発明のガス拡散層の製造方法によってガス拡散層1を製造する方法について具体的に説明する。
2. 2. Method for Producing Gas Diffusion Layer FIG. 2 is a flowchart schematically showing steps provided in the method for producing a gas diffusion layer of the present invention. FIG. 3 is a conceptual diagram showing an example of a water repellent layer forming step. Hereinafter, a method for producing the gas diffusion layer 1 by the method for producing a gas diffusion layer of the present invention will be specifically described with reference to FIGS. 1 to 3.

図2に示すように、本発明のガス拡散層の製造方法は、撥水層形成工程(工程S11)と、熱水処理工程(工程S12)と、を備え、工程S11及び工程S12を経て、ガス拡散層1が製造される。   As shown in FIG. 2, the method for producing a gas diffusion layer of the present invention includes a water repellent layer forming step (step S11) and a hydrothermal treatment step (step S12), and through steps S11 and S12, The gas diffusion layer 1 is manufactured.

2.1.撥水層形成工程(工程S11)
工程S11は、拡散層基材2’の表面へ、炭素材料(例えば、VGCF)及び撥水性樹脂(例えば、ポリテトラフルオロエチレン樹脂)を含有する組成物を塗布し、撥水性樹脂を溶解させる等の目的で当該組成物に含有される溶剤を揮発させることにより、拡散層基材2’の表面へ撥水層3’を形成し、拡散層基材2’及び撥水層3’を備える構造体4を作製する工程である(図3参照)。工程S11において、拡散層基材2’の表面へ組成物を塗布する際の方法は特に限定されるものではない。工程S11では、例えば、拡散層基材2’の表面へ、流動状態の上記組成物を、スプレー塗布、刷毛塗り、スクリーン印刷等の方法により塗布することができる。図3では、スプレー塗布法により、拡散層基材2’の表面に撥水層3’が形成される様子を示している。
2.1. Water repellent layer forming step (step S11)
In step S11, a composition containing a carbon material (for example, VGCF) and a water-repellent resin (for example, polytetrafluoroethylene resin) is applied to the surface of the diffusion layer substrate 2 ′, and the water-repellent resin is dissolved. For this purpose, the solvent contained in the composition is volatilized to form a water repellent layer 3 ′ on the surface of the diffusion layer substrate 2 ′, and the structure including the diffusion layer substrate 2 ′ and the water repellent layer 3 ′ This is a process for producing the body 4 (see FIG. 3). In step S11, the method for applying the composition to the surface of the diffusion layer substrate 2 ′ is not particularly limited. In step S11, for example, the composition in a fluid state can be applied to the surface of the diffusion layer substrate 2 ′ by a method such as spray coating, brush coating, or screen printing. FIG. 3 shows how the water-repellent layer 3 ′ is formed on the surface of the diffusion layer substrate 2 ′ by spray coating.

2.2.熱水処理工程(工程S12)
工程S12は、上記工程S11で作製した構造体4に、熱水処理を施すことにより、ガス拡散層1を製造する工程である。工程S12で使用する熱水の温度は、拡散層基材2’及び撥水層3’に含有される炭素材料の表面自由エネルギーを増大させて構造体4の撥水性の程度を低減させ得る温度であれば、特に限定されるものではない。ただし、適度な時間内で炭素材料の表面自由エネルギーを増大させるという観点からは、40℃以上とすることが好ましい。これに対し、炭素材料の表面自由エネルギーの変化の度合いを制御して撥水性の程度を制御しやすい形態とする等の観点からは、80℃以下とすることが好ましい。
2.2. Hot water treatment process (process S12)
Step S12 is a step of manufacturing the gas diffusion layer 1 by performing hot water treatment on the structure 4 produced in the step S11. The temperature of the hot water used in step S12 is a temperature at which the surface free energy of the carbon material contained in the diffusion layer substrate 2 ′ and the water repellent layer 3 ′ can be increased to reduce the degree of water repellency of the structure 4. If it is, it will not specifically limit. However, from the viewpoint of increasing the surface free energy of the carbon material within an appropriate time, it is preferably 40 ° C. or higher. On the other hand, from the viewpoint of controlling the degree of change in the surface free energy of the carbon material so that the degree of water repellency can be easily controlled, the temperature is preferably 80 ° C. or lower.

一方、熱水処理の時間は、拡散層基材2’及び撥水層3’に含有される炭素材料の表面自由エネルギーを増大させ得る時間であれば、特に限定されるものではなく、使用する熱水の温度に応じて適宜変更することができる。工程S12における熱水処理時間は、例えば、1時間以上20時間以下とすることができる。   On the other hand, the time for the hot water treatment is not particularly limited as long as it can increase the surface free energy of the carbon material contained in the diffusion layer base material 2 ′ and the water repellent layer 3 ′. It can change suitably according to the temperature of hot water. The hot water treatment time in step S12 can be, for example, 1 hour or more and 20 hours or less.

工程S12において、構造体4に施す熱水処理の形態は、構造体4に備えられる拡散層基材2’及び撥水層3’に熱水を接触させることが可能であれば、特に限定されるものではない。ただし、容易かつ確実に拡散層基材2’及び撥水層3’へ熱水を接触可能な形態とする等の観点からは、所定の容器に入れた熱水へ、所定時間(例えば、1時間以上20時間以下)に亘って構造体4を浸漬させる等の形態とすることが好ましい。   In step S12, the form of the hot water treatment applied to the structure 4 is particularly limited as long as hot water can be brought into contact with the diffusion layer base material 2 ′ and the water repellent layer 3 ′ provided in the structure 4. It is not something. However, from the viewpoint of easily and surely bringing the hot water into contact with the diffusion layer base material 2 ′ and the water repellent layer 3 ′, the hot water contained in a predetermined container is given a predetermined time (for example, 1 It is preferable that the structure 4 is immersed for a period of time to 20 hours.

3.燃料電池
図4は、本発明の燃料電池に備えられる単セルの形態例を概略的に示す断面図である。図4において、図1と同様の構成を採るものには、図1にて使用した符号と同符号を付し、その説明を適宜省略する。以下、図1及び図4を参照しつつ、本発明の燃料電池について具体的に説明する。
3. Fuel Cell FIG. 4 is a cross-sectional view schematically showing an example of a single cell provided in the fuel cell of the present invention. 4, components having the same configuration as in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals as those used in FIG. 1, and description thereof is omitted as appropriate. Hereinafter, the fuel cell of the present invention will be specifically described with reference to FIGS. 1 and 4.

図4に示すように、単セル10は、電解質膜5、電解質膜5の一方の面に形成されたアノード触媒層6、及び、アノード触媒層6と反対側の面に形成されたカソード触媒層7、を備えるMEA8と、当該MEA8の一方の側及び他方の側にそれぞれ配設されたガス拡散層1、1(以下においてアノード触媒層6側に配設されたガス拡散層1を「ガス拡散層1a」といい、カソード触媒層7側に配設されたガス拡散層1を「ガス拡散層1b」ということがある。)と、ガス拡散層1a及びガス拡散層1bの外側に配設されたセパレータ9、9(以下においてガス拡散層1a側に配設されたセパレータ9を「セパレータ9a」といい、ガス拡散層1b側に配設されたセパレータ9を「セパレータ9b」ということがある。)と、を備える。ガス拡散層1aは、撥水層3とアノード触媒層6とが接触するとともに、拡散層基材2とセパレータ9aとが接触する形態で配設され、ガス拡散層1bは、撥水層3とカソード触媒層7とが接触するとともに、拡散層基材2とセパレータ9bとが接触する形態で配設される。そして、セパレータ9aには、ガス拡散層1a側の面に溝9x、9x、…が備えられ、セパレータ9bには、ガス拡散層1b側の面に溝9y、9y、…が備えられる。   As shown in FIG. 4, the single cell 10 includes an electrolyte membrane 5, an anode catalyst layer 6 formed on one surface of the electrolyte membrane 5, and a cathode catalyst layer formed on the surface opposite to the anode catalyst layer 6. 7 and gas diffusion layers 1 and 1 disposed on one side and the other side of the MEA 8 (hereinafter referred to as “gas diffusion layer 1 disposed on the anode catalyst layer 6 side”). The gas diffusion layer 1 disposed on the cathode catalyst layer 7 side is sometimes referred to as “gas diffusion layer 1b”), and disposed outside the gas diffusion layer 1a and the gas diffusion layer 1b. The separators 9 and 9 (hereinafter, the separator 9 disposed on the gas diffusion layer 1a side is sometimes referred to as "separator 9a", and the separator 9 disposed on the gas diffusion layer 1b side is sometimes referred to as "separator 9b". And). The gas diffusion layer 1a is disposed in such a manner that the water repellent layer 3 and the anode catalyst layer 6 are in contact with each other, and the diffusion layer substrate 2 and the separator 9a are in contact with each other. The cathode catalyst layer 7 is in contact with the diffusion layer base material 2 and the separator 9b in contact with each other. The separator 9a is provided with grooves 9x, 9x,... On the surface on the gas diffusion layer 1a side, and the separator 9b is provided with grooves 9y, 9y,.

電解質膜5は、80℃程度の温度環境下で含水状態に保たれることによりプロトン伝導性能を発現するプロトン伝導性ポリマーを含有する固体高分子膜である。一方、アノード触媒層6及びカソード触媒層7は、単セル10の運転時に電気化学反応を生じさせる際の触媒として機能する金属粒子(例えば、Pt等。以下において単に「触媒」という。)と、プロトン伝導性ポリマーとを含有する。他方、セパレータ9a及びセパレータ9bは、ガス不透過性、電子伝導性、及び耐熱性等を有する物質(例えば、金属や炭素材料等)により構成されている。   The electrolyte membrane 5 is a solid polymer membrane containing a proton conducting polymer that exhibits proton conduction performance when kept in a water-containing state in a temperature environment of about 80 ° C. On the other hand, the anode catalyst layer 6 and the cathode catalyst layer 7 are composed of metal particles (for example, Pt or the like; hereinafter simply referred to as “catalyst”) that function as a catalyst for causing an electrochemical reaction when the single cell 10 is operated. And a proton conductive polymer. On the other hand, the separator 9a and the separator 9b are made of a material (for example, a metal or a carbon material) having gas impermeability, electronic conductivity, heat resistance, and the like.

単セル10の運転時には、セパレータ9aの溝9x、9x、…を介して水素が供給されるとともに、セパレータ9bの溝9y、9y、…を介して空気が供給され、セパレータ9a及びセパレータ9bは、冷媒流路(不図示)を流通する冷媒によって冷却される。溝9x、9x、…を介して供給されることにより、ガス拡散層1aを通過してアノード触媒層6へと達した水素は、アノード触媒層6に含有される触媒の作用下でプロトン及び電子に分離する。アノード触媒層6で生じたプロトンは、アノード触媒層6、電解質膜5、及び、カソード触媒層7に含有されるプロトン伝導性ポリマーを伝って、カソード触媒層7へと達し、アノード触媒層6で生じたプロトンは、外部回路及びガス拡散層1bを経由してカソード触媒層7へと達する。そして、溝9y、9y、…を介して供給されることにより、ガス拡散層1bを通過してカソード触媒層7へと達した空気に含有される酸素と、アノード触媒層6からカソード触媒層7へと移動してきたプロトン及び電子とが、カソード触媒層7に含有される触媒の作用下で反応することにより、カソード触媒層7で水が生成される。なお、アノード触媒層6における上記反応に利用されなかった水素は、溝9x、9x、…を介して単セル10の外へと排出されて回収され、カソード触媒層7における上記反応に利用されなかった空気は、溝9y、9y、…を介して単セル10の外へと排出される。   During operation of the single cell 10, hydrogen is supplied through the grooves 9x, 9x,... Of the separator 9a, and air is supplied through the grooves 9y, 9y,. Cooled by the refrigerant flowing through the refrigerant flow path (not shown). By being supplied through the grooves 9x, 9x,..., The hydrogen that has passed through the gas diffusion layer 1a and reached the anode catalyst layer 6 becomes protons and electrons under the action of the catalyst contained in the anode catalyst layer 6. To separate. Protons generated in the anode catalyst layer 6 reach the cathode catalyst layer 7 through the proton conductive polymer contained in the anode catalyst layer 6, the electrolyte membrane 5, and the cathode catalyst layer 7. The generated protons reach the cathode catalyst layer 7 via the external circuit and the gas diffusion layer 1b. .. Are supplied through the grooves 9y, 9y,..., Oxygen contained in the air that has passed through the gas diffusion layer 1b and reached the cathode catalyst layer 7, and from the anode catalyst layer 6 to the cathode catalyst layer 7 The protons and electrons that have moved to react with each other under the action of the catalyst contained in the cathode catalyst layer 7, whereby water is generated in the cathode catalyst layer 7. It should be noted that hydrogen that was not used in the reaction in the anode catalyst layer 6 is discharged and recovered outside the single cell 10 through the grooves 9x, 9x,... And is not used in the reaction in the cathode catalyst layer 7. The air is discharged out of the unit cell 10 through the grooves 9y, 9y,.

このように、単セル10の運転時には、プロトン及び電子が移動するため、当該移動の際の抵抗等に起因する熱が発生する。MEA8に含有されるプロトン伝導性ポリマーは、例えば80℃程度等の温度環境下で含水状態に保たれることによりプロトン伝導性能を発現するため、単セル10の性能を向上させるためには、単セル10の過度の温度上昇を防止する必要がある。かかる観点から、セパレータ9a及びセパレータ9bは、図示されていない冷媒流路内を流れる冷媒によって冷却される。それゆえ、上記反応によってカソード触媒層7で生じた水(水蒸気)は、冷却されているセパレータ9b及び/又はセパレータ9aに接触すると、結露して、液滴の水となる。   As described above, when the single cell 10 is operated, protons and electrons move, and thus heat is generated due to resistance during the movement. The proton conducting polymer contained in the MEA 8 exhibits proton conducting performance by being kept in a water-containing state in a temperature environment such as about 80 ° C., for example. In order to improve the performance of the single cell 10, It is necessary to prevent an excessive temperature rise of the cell 10. From such a viewpoint, the separator 9a and the separator 9b are cooled by the refrigerant flowing in the refrigerant flow path (not shown). Therefore, when the water (water vapor) generated in the cathode catalyst layer 7 by the reaction comes into contact with the cooled separator 9b and / or the separator 9a, it is condensed and becomes droplet water.

単セル10において、セパレータ9aとMEA8との間に配設されたガス拡散層1a、及び、セパレータ9b及びMEA8との間に配設されたガス拡散層1bはガス透過性を有するカーボンペーパー等により構成されるため、液滴の水が通過し得る。ガス拡散層1b及び/又はガス拡散層1aを通過した液滴の水がMEA8へと達することにより、MEA8が水浸しになると、アノード触媒層6及びカソード触媒層7への反応ガスの拡散が阻害されるため、単セル10の性能が低下する。それゆえ、単セル10の性能低下を防止するために、ガス拡散層1b及びガス拡散層1aには排水性が必要とされる。   In the single cell 10, the gas diffusion layer 1a disposed between the separator 9a and the MEA 8 and the gas diffusion layer 1b disposed between the separator 9b and the MEA 8 are made of carbon paper having gas permeability. Due to the construction, water droplets can pass through. When the water in the droplets that has passed through the gas diffusion layer 1b and / or the gas diffusion layer 1a reaches the MEA 8, and the MEA 8 is immersed in water, the diffusion of the reaction gas to the anode catalyst layer 6 and the cathode catalyst layer 7 is inhibited. Therefore, the performance of the single cell 10 is reduced. Therefore, in order to prevent the performance degradation of the single cell 10, the gas diffusion layer 1b and the gas diffusion layer 1a are required to have drainage.

上述のように、ガス拡散層1b及びガス拡散層1aは、熱水処理が施された拡散層基材2及び撥水層3を備える。かかる拡散層基材2及び撥水層3には、熱水処理を施されることにより撥水性の程度が低減された炭素材料が含有される。撥水性の程度が低減された撥水性のガス拡散層1b及びガス拡散層1aは、水との接触面積が増大された形態であるため、ガス拡散層1b及びガス拡散層1aは、多量の水と接触することができる。ここで、セパレータ9aのガス拡散層1a側の面には、水素を流通させる溝9x、9x、…が備えられ、セパレータ9bのガス拡散層1b側の面には、空気を流通させる溝9y、9y、…が備えられる。それゆえ、単セル10では、ガス拡散層1aの表面と接触した多量の水を、溝9x、9x、…を流通する水素とともに単セル10の外へと排出することができ、ガス拡散層1bの表面と接触した多量の水を、溝9y、9y、…を流通する空気とともに単セル10の外へと排出することができる。したがって、本発明のガス拡散層1a及び本発明のガス拡散層1bを備える単セル10によれば、排水性を向上させることができる。したがって、単セル10を備える本発明の燃料電池によれば、排水性を向上させることができ、性能を向上させることができる。   As described above, the gas diffusion layer 1b and the gas diffusion layer 1a include the diffusion layer base material 2 and the water repellent layer 3 that have been subjected to hydrothermal treatment. The diffusion layer substrate 2 and the water repellent layer 3 contain a carbon material whose water repellency is reduced by being subjected to hot water treatment. Since the water-repellent gas diffusion layer 1b and the gas diffusion layer 1a having a reduced degree of water repellency have a form in which the contact area with water is increased, the gas diffusion layer 1b and the gas diffusion layer 1a have a large amount of water. Can contact with. Here, the gas diffusion layer 1a side surface of the separator 9a is provided with grooves 9x, 9x,. 9y,... Are provided. Therefore, in the single cell 10, a large amount of water that has contacted the surface of the gas diffusion layer 1a can be discharged out of the single cell 10 together with the hydrogen flowing through the grooves 9x, 9x,. A large amount of water in contact with the surface can be discharged out of the single cell 10 together with the air flowing through the grooves 9y, 9y,. Therefore, according to the single cell 10 provided with the gas diffusion layer 1a of the present invention and the gas diffusion layer 1b of the present invention, drainage can be improved. Therefore, according to the fuel cell of the present invention including the single cell 10, drainage can be improved and performance can be improved.

4.燃料電池の製造方法
図5は、本発明の燃料電池の製造方法に備えられる工程を概略的に示すフローチャートである。以下、図4及び図5を参照しつつ、本発明の燃料電池の製造方法によって単セル10を備える燃料電池を製造する方法について具体的に説明する。
4). Fuel Cell Manufacturing Method FIG. 5 is a flowchart schematically showing steps provided in the fuel cell manufacturing method of the present invention. Hereinafter, a method for manufacturing a fuel cell including the single cell 10 by the method for manufacturing a fuel cell of the present invention will be described in detail with reference to FIGS. 4 and 5.

図5に示すように、本発明の燃料電池の製造方法は、構造体作製工程(工程S21)と、ガス拡散層作製工程(工程S22)と、膜電極構造体作製工程(工程S23)と、配設工程(工程S24)と、積層工程(工程S25)と、を備え、工程S21乃至工程S25を経て、単セル10を備える燃料電池が製造される。   As shown in FIG. 5, the fuel cell manufacturing method of the present invention includes a structure manufacturing step (step S21), a gas diffusion layer manufacturing step (step S22), a membrane electrode structure manufacturing step (step S23), The fuel cell including the single cell 10 is manufactured through the steps S21 to S25 including the disposing step (step S24) and the stacking step (step S25).

4.1.構造体作製工程(工程S21)
工程S21は、拡散層基材2’の表面へ、撥水層3’を形成することにより、拡散層基材2’及び撥水層3’を備える構造体4を作製する工程である。工程S21は、上記工程S11と同様の形態とすることができる。
4.1. Structure manufacturing process (process S21)
Step S21 is a step of forming the structure 4 including the diffusion layer substrate 2 ′ and the water repellent layer 3 ′ by forming the water repellent layer 3 ′ on the surface of the diffusion layer substrate 2 ′. Step S21 can have the same form as step S11.

4.2.ガス拡散層作製工程(工程S22)
工程S22は、上記工程S21で作製した構造体4に、熱水処理を施すことにより、ガス拡散層1を作製する工程である。工程S22は、上記工程S12と同様の形態とすることができる。
4.2. Gas diffusion layer manufacturing process (process S22)
Step S22 is a step of manufacturing the gas diffusion layer 1 by performing hot water treatment on the structure 4 manufactured in the above step S21. Step S22 can have the same form as step S12.

4.3.膜電極構造体作製工程(工程S23)
工程S23は、電解質膜5の一方の面へアノード触媒層6を形成し、かつ、当該アノード触媒層6が形成されるべき面と反対側の面へカソード触媒層7を形成することにより、電解質膜5とアノード触媒層6とカソード触媒層7とを備えるMEA8を作製する工程である。工程S23は、MEA8を作製可能であれば、その形態は特に限定されるものではない。工程S23において、アノード触媒層6を形成する方法の具体例としては、触媒とプロトン伝導性ポリマーとを含有する流動状態の組成物(以下「触媒インク」という。)を、スプレー塗布、刷毛塗り、スクリーン印刷等の方法により電解質膜5の表面へ塗布し、触媒インクに含有される溶剤を揮発させることにより、電解質膜5の表面へアノード触媒層6を形成する形態を挙げることができる。工程S23において、カソード触媒層7は、アノード触媒層6と同様の方法により形成することができる。
4.3. Membrane electrode structure manufacturing step (step S23)
In step S23, the anode catalyst layer 6 is formed on one surface of the electrolyte membrane 5, and the cathode catalyst layer 7 is formed on the surface opposite to the surface on which the anode catalyst layer 6 is to be formed. In this step, an MEA 8 including the membrane 5, the anode catalyst layer 6, and the cathode catalyst layer 7 is manufactured. The step S23 is not particularly limited as long as the MEA 8 can be manufactured. As a specific example of the method of forming the anode catalyst layer 6 in the step S23, a fluid composition containing a catalyst and a proton conductive polymer (hereinafter referred to as “catalyst ink”) is spray-coated, brush-coated, The form which forms the anode catalyst layer 6 on the surface of the electrolyte membrane 5 by apply | coating to the surface of the electrolyte membrane 5 by methods, such as screen printing, and volatilizing the solvent contained in catalyst ink can be mentioned. In step S23, the cathode catalyst layer 7 can be formed by the same method as the anode catalyst layer 6.

4.4.配設工程(工程S24)
工程S24は、上記工程S23で作製したMEA8の両側に、上記工程S22で作製したガス拡散層1、1を配設することにより、MEA8が一対のガス拡散層1、1によって狭持された形態の第1積層体を作製する工程である。
4.4. Arrangement process (process S24)
In step S24, the MEA 8 is sandwiched between the pair of gas diffusion layers 1 and 1 by disposing the gas diffusion layers 1 and 1 prepared in step S22 on both sides of the MEA 8 manufactured in step S23. It is the process of producing this 1st laminated body.

4.5.積層工程(工程S25)
工程S25は、複数の単セル10、10、…を備える燃料電池を製造する工程である。工程S25では、例えば、セパレータ9と、上記工程S24で作製した第1積層体とを交互に積層することにより、複数の単セル10、10、…を備える第2積層体を作製する。その後、当該第2積層体における単セル10、10、…の積層方向両端側に集電板等を積層することにより第3積層体を形成する。そして、当該第3積層体をケース部材へ収容することにより、複数の単セル10、10、…を備える本発明の燃料電池を製造することができる。
このように、本発明の燃料電池の製造方法によって製造される燃料電池には、本発明のガス拡散層1、1を備える単セル10、10、…が備えられる。したがって、本発明の燃料電池の製造方法によれば、排水性を向上させることが可能な燃料電池を製造することができる。
4.5. Lamination process (process S25)
Step S25 is a step of manufacturing a fuel cell including a plurality of single cells 10, 10,. In step S25, for example, a second laminate including a plurality of single cells 10, 10,... Is produced by alternately laminating the separator 9 and the first laminate produced in step S24. Then, a 3rd laminated body is formed by laminating | stacking a current collection board etc. on the both ends of the lamination direction of the single cell 10,10, ... in the said 2nd laminated body. And the fuel cell of this invention provided with the some single cell 10,10, ... can be manufactured by accommodating the said 3rd laminated body in a case member.
As described above, the fuel cell manufactured by the fuel cell manufacturing method of the present invention includes the single cells 10, 10,... Each including the gas diffusion layers 1, 1 of the present invention. Therefore, according to the fuel cell manufacturing method of the present invention, it is possible to manufacture a fuel cell capable of improving drainage.

本発明に関する上記説明では、拡散層基材2として、カーボンペーパーを例示したが、本発明は当該形態に限定されるものではなく、カーボンクロス等を用いることも可能である。本発明で用いられる拡散層基材は、電子伝導性及びガス透過性と、固体高分子膜を備えるPEFCやダイレクトメタノール型燃料電池(DMFC)等の運転時における環境に耐え得る性質(以下「耐環境性」という。)と、を備え、かつ、その構成材料に炭素が含有されていれば良い。   In the above description regarding the present invention, carbon paper is exemplified as the diffusion layer substrate 2, but the present invention is not limited to this form, and carbon cloth or the like can also be used. The diffusion layer substrate used in the present invention has an electron conductivity and gas permeability, and a property that can withstand the environment during operation of a PEFC or a direct methanol fuel cell (DMFC) equipped with a solid polymer membrane (hereinafter referred to as “resistance resistance”). As long as the constituent material contains carbon.

また、本発明に関する上記説明では、撥水層3を構成する炭素材料として、VGCFを例示したが、本発明は当該形態に限定されるものではない。本発明で用いられる撥水層に含有され得る他の炭素材料としては、カーボンブラック、カーボンナノチューブ、カーボンナノホーン等を例示することができる。さらに、本発明に関する上記説明では、撥水層3を構成する撥水性樹脂として、ポリテトラフルオロエチレン樹脂を例示したが、本発明は当該形態に限定されるものではない。本発明で用いられる撥水層に含有され得る他の撥水性樹脂としては、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樹脂(FEP)、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樹脂(PFA)、テトラフルオロエチレン−エチレン共重合体樹脂(ETFE)、クロロトリフルオロエチレン樹脂(PCTFE)、フルオロビニリデン樹脂(PVDF)等を例示することができる。ただし、排水性を向上させ得るガス拡散層を容易に製造可能とする等の観点からは、ポリテトラフルオロエチレン樹脂を用いることが好ましい。   Moreover, in the said description regarding this invention, although VGCF was illustrated as a carbon material which comprises the water repellent layer 3, this invention is not limited to the said form. Examples of other carbon materials that can be contained in the water-repellent layer used in the present invention include carbon black, carbon nanotube, and carbon nanohorn. Furthermore, although the polytetrafluoroethylene resin was illustrated as water-repellent resin which comprises the water-repellent layer 3 in the said description regarding this invention, this invention is not limited to the said form. Other water-repellent resins that can be contained in the water-repellent layer used in the present invention include tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer resin (FEP), tetrafluoroethylene-perfluoroalkyl vinyl ether copolymer resin (PFA). And tetrafluoroethylene-ethylene copolymer resin (ETFE), chlorotrifluoroethylene resin (PCTFE), fluorovinylidene resin (PVDF), and the like. However, it is preferable to use a polytetrafluoroethylene resin from the viewpoint of easily producing a gas diffusion layer capable of improving drainage.

また、本発明の燃料電池及びその製造方法において、電解質膜5は、PEFCやDMFC等で使用可能な、プロトン伝導性ポリマーを含有する固体高分子膜であれば、その形態は特に限定されない。電解質膜5に含有されるプロトン伝導性ポリマーの具体例としては、含フッ素高分子を骨格として少なくともスルホン酸基、ホスホン酸基、及びリン酸基のうち一種を有するフッ素系のポリマーや、ポリオレフィンのような炭化水素を骨格とする炭化水素系のポリマー等を挙げることができる。上記フッ素系のポリマーを含有する電解質膜5の具体例としては、Nafion(「Nafion」は米国デュポン社の登録商標。)やフレミオン(「フレミオン」は旭硝子株式会社の登録商標)等を挙げることができる。一方、上記炭化水素系のポリマーを含有する電解質膜5の具体例としては、セレミオン等(「セレミオン」は旭硝子株式会社の登録商標)を挙げることができる。   In the fuel cell and the manufacturing method thereof according to the present invention, the form of the electrolyte membrane 5 is not particularly limited as long as it is a solid polymer membrane containing a proton conductive polymer that can be used in PEFC or DMFC. Specific examples of the proton conductive polymer contained in the electrolyte membrane 5 include fluorine-based polymers having at least one of a sulfonic acid group, a phosphonic acid group, and a phosphoric acid group with a fluorine-containing polymer as a skeleton, and polyolefins. Examples thereof include hydrocarbon-based polymers having a hydrocarbon skeleton. Specific examples of the electrolyte membrane 5 containing the fluorine-based polymer include Nafion (“Nafion” is a registered trademark of DuPont, USA) and Flemion (“Flemion” is a registered trademark of Asahi Glass Co., Ltd.). it can. On the other hand, as a specific example of the electrolyte membrane 5 containing the hydrocarbon polymer, there can be mentioned Selemion and the like (“Selemion” is a registered trademark of Asahi Glass Co., Ltd.).

また、本発明の燃料電池及びその製造方法において、アノード触媒層6及びカソード触媒層7に含有される触媒は、PEFCやDMFCの運転時における温度環境下で上記電気化学反応を生じさせることが可能であり、かつ、耐環境性を有する金属粒子であれば、特に限定されない。アノード触媒層6及びカソード触媒層7に含有される触媒の具体例としては、Ptのほか、Co、Ru、Ir、Au、Ag、Cu、Ni、Fe、Cr、Mn、V、Ti、Mo、Pd、Rh、Wからなる群より選択される1以上の金属とPtとを有するPt合金等を挙げることができる。また、アノード触媒層6及びカソード触媒層7に含有されるプロトン伝導性ポリマーの具体例としては、電解質膜5に含有され得る上記プロトン伝導性ポリマー等を挙げることができる。   Further, in the fuel cell and the manufacturing method thereof according to the present invention, the catalyst contained in the anode catalyst layer 6 and the cathode catalyst layer 7 can cause the above electrochemical reaction in a temperature environment during operation of PEFC or DMFC. The metal particles are not particularly limited as long as they are metal particles having environmental resistance. Specific examples of the catalyst contained in the anode catalyst layer 6 and the cathode catalyst layer 7 include Pt, Co, Ru, Ir, Au, Ag, Cu, Ni, Fe, Cr, Mn, V, Ti, Mo, Examples thereof include a Pt alloy having one or more metals selected from the group consisting of Pd, Rh, and W and Pt. Specific examples of the proton conductive polymer contained in the anode catalyst layer 6 and the cathode catalyst layer 7 include the proton conductive polymer that can be contained in the electrolyte membrane 5.

また、本発明の燃料電池及びその製造方法において、セパレータ9は、電子伝導性及びガス不透過性を有し、かつ、耐環境性を有する材料により構成されていれば、その形態は特に限定されない。セパレータ9としては、エンジニアリングプラスチック等からなるカーボン製のセパレータや、金属製のセパレータ等を例示することができる。   Further, in the fuel cell and the manufacturing method thereof according to the present invention, the form of the separator 9 is not particularly limited as long as the separator 9 is made of a material having electron conductivity and gas impermeability and having environmental resistance. . Examples of the separator 9 include carbon separators made of engineering plastics, metal separators, and the like.

なお、本発明の燃料電池及びその製造方法に関する上記説明では、アノード触媒層6とセパレータ9aとの間、及び、カソード触媒層7とセパレータ9aとの間にガス拡散層1、1が備えられる形態を例示したが、本発明は当該形態に限定されるものではなく、少なくとも一方に本発明のガス拡散層が備えられていれば良い。ただし、上述のように、燃料電池の運転時にはカソード触媒層7で水が生成されるため、排水性向上効果が得られやすい形態とする等の観点からは、カソード側のみ、又は、アノード側及びカソード側に、本発明のガス拡散層が備えられる形態とすることが好ましい。   In the above description regarding the fuel cell and the manufacturing method thereof according to the present invention, the gas diffusion layers 1 and 1 are provided between the anode catalyst layer 6 and the separator 9a and between the cathode catalyst layer 7 and the separator 9a. However, the present invention is not limited to this mode, and it is sufficient that at least one of the gas diffusion layers of the present invention is provided. However, as described above, since water is generated in the cathode catalyst layer 7 during operation of the fuel cell, from the viewpoint of easily obtaining a drainage improvement effect, only the cathode side or the anode side and It is preferable that the gas diffusion layer of the present invention is provided on the cathode side.

以下、実施例を参照しつつ、本発明についてさらに説明する。   The present invention will be further described below with reference to examples.

1.接触角測定試験
1.1.ガス拡散層の製造
拡散層基材(TGP−H−060、東レ株式会社製)の表面に、20質量部のVGCFと80質量部のポリテトラフルオロエチレン樹脂とを含有する撥水層が形成されるように調整した、流動状態の組成物をスプレー塗布し、当該組成物に含有される溶剤を揮発させることにより、拡散層基材及び撥水層を備える構造体を作製した。その後、ビーカーに入れた60℃の熱水400ml中に、当該構造体を所定時間浸漬する熱水処理を施した後、ビーカーから取り出すことにより、ガス拡散層を製造した(以下において当該ガス拡散層を「実施例1にかかるガス拡散層」という。)。浸漬時間は、15時間、25時間、45時間、及び、75時間とした。
これに対し、熱水処理を施さないほかは実施例1にかかるガス拡散層と同様の工程を経ることにより、比較例1にかかるガス拡散層を製造した。
1. Contact angle measurement test 1.1. Manufacture of gas diffusion layer A water repellent layer containing 20 parts by mass of VGCF and 80 parts by mass of polytetrafluoroethylene resin is formed on the surface of a diffusion layer substrate (TGP-H-060, manufactured by Toray Industries, Inc.). The structure including the diffusion layer base material and the water repellent layer was prepared by spray-coating the composition in a fluid state adjusted as described above and volatilizing the solvent contained in the composition. Thereafter, the structure was immersed in 400 ml of 60 ° C. hot water for a predetermined time and then taken out from the beaker to produce a gas diffusion layer (hereinafter referred to as the gas diffusion layer). (Referred to as “gas diffusion layer according to Example 1”). The immersion time was 15 hours, 25 hours, 45 hours, and 75 hours.
On the other hand, the gas diffusion layer concerning the comparative example 1 was manufactured by passing through the process similar to the gas diffusion layer concerning Example 1 except not performing a hot-water process.

一方、VGCFに代えてデンカ ブラック(電気化学工業株式会社製。「デンカ ブラック」は電気化学工業株式会社の登録商標。以下同じ。)を使用したほかは、上記実施例1にかかるガス拡散層と同様の方法により実施例2にかかるガス拡散層を製造した。
これに対し、VGCFに代えてデンカ ブラックを使用したほかは、上記比較例1にかかるガス拡散層と同様の工程を経ることにより、比較例2にかかるガス拡散層を製造した。
On the other hand, in place of VGCF, Denka Black (manufactured by Denki Kagaku Kogyo Co., Ltd. “Denka Black” is a registered trademark of Denki Kagaku Kogyo Co., Ltd .; the same shall apply hereinafter) and the gas diffusion layer according to Example 1 above was used. A gas diffusion layer according to Example 2 was manufactured by the same method.
On the other hand, a gas diffusion layer according to Comparative Example 2 was manufactured by performing the same steps as those of the gas diffusion layer according to Comparative Example 1 except that Denka Black was used instead of VGCF.

1.2.接触角の測定
作製した上記ガス拡散層(実施例1、比較例1、実施例2、及び、比較例2)の表面に3μLの水滴を静置し、接触角測定器(CA−W150、協和界面科学株式会社製)を用いてθ/2を測定し、これを2倍することにより接触角θを算出した。θ/2の測定は、JIS R3257:1999「基板ガラス表面のぬれ性試験方法」に記載された静滴法により測定した。実施例1にかかるガス拡散層及び実施例2にかかるガス拡散層の浸漬時間と接触角θとの関係、並びに、比較例1にかかるガス拡散層及び比較例2にかかるガス拡散層の接触角θの測定結果を、図6に併せて示す。図6の縦軸は接触角[°]、同横軸は浸漬時間[h]である。
1.2. Measurement of contact angle A 3 μL water droplet was allowed to stand on the surface of the gas diffusion layer produced (Example 1, Comparative Example 1, Example 2, and Comparative Example 2), and a contact angle measuring device (CA-W150, Kyowa). Θ / 2 was measured using Interface Science Co., Ltd., and the contact angle θ was calculated by doubling this. The measurement of θ / 2 was performed by the sessile drop method described in JIS R3257: 1999 “Method for testing wettability of substrate glass surface”. The relationship between the immersion time of the gas diffusion layer according to Example 1 and the gas diffusion layer according to Example 2 and the contact angle θ, and the contact angle between the gas diffusion layer according to Comparative Example 1 and the gas diffusion layer according to Comparative Example 2 The measurement result of θ is also shown in FIG. The vertical axis of FIG. 6 is the contact angle [°], and the horizontal axis is the immersion time [h].

1.3.結果
図6より、熱水に浸漬する熱水処理を経て製造した実施例1にかかるガス拡散層の接触角は、熱水処理を施していない比較例1にかかるガス拡散層の接触角よりも小さく、かつ、実施例1にかかるガス拡散層の接触角は90[°]よりも大きかった。同様に、図6より、熱水に浸漬する熱水処理を経て製造した実施例2にかかるガス拡散層の接触角は、熱水処理を施していない比較例2にかかるガス拡散層の接触角よりも小さく、かつ、実施例2にかかるガス拡散層の接触角は90[°]よりも大きかった。すなわち、熱水処理を施すことで、撥水性の程度が低減された撥水性のガス拡散層を製造できた。
1.3. Results From FIG. 6, the contact angle of the gas diffusion layer according to Example 1 manufactured through the hot water treatment immersed in hot water is larger than the contact angle of the gas diffusion layer according to Comparative Example 1 that has not been subjected to the hot water treatment. The contact angle of the gas diffusion layer according to Example 1 was smaller and larger than 90 [°]. Similarly, from FIG. 6, the contact angle of the gas diffusion layer according to Example 2 manufactured through the hot water treatment immersed in hot water is the contact angle of the gas diffusion layer according to Comparative Example 2 that has not been subjected to the hot water treatment. And the contact angle of the gas diffusion layer according to Example 2 was larger than 90 [°]. That is, a water-repellent gas diffusion layer with a reduced degree of water repellency could be produced by performing a hot water treatment.

2.発電性能評価試験
2.1.単セルの作製
フッ素系のポリマーを含有する電解質膜の一方の面に、炭素粒子に白金を担持させた白金担持カーボンとフッ素系のポリマーとを含有する流動状態の触媒インクを塗布し、当該触媒インクに含有される溶媒を揮発させることにより、電解質膜の一方の面にアノード触媒層を形成した。さらに、アノード触媒層を形成すべき面と反対側の電解質膜表面に、白金黒粒子とフッ素系のポリマーとを含有する流動状態の触媒インクを塗布し、当該触媒インクに含有される溶媒を揮発させることにより、電解質膜の他方の面にカソード触媒層を形成し、MEAを作製した。なお、当該MEAに備えられるアノード触媒層及びカソード触媒層の電極面積は、何れも13[cm]であった。
2. Power generation performance evaluation test 2.1. Production of a single cell On one surface of an electrolyte membrane containing a fluorine-based polymer, a catalyst ink in a fluid state containing platinum-supported carbon in which platinum is supported on carbon particles and a fluorine-based polymer is applied, and the catalyst is applied. By volatilizing the solvent contained in the ink, an anode catalyst layer was formed on one surface of the electrolyte membrane. Furthermore, a fluidized catalyst ink containing platinum black particles and a fluorine-based polymer is applied to the surface of the electrolyte membrane opposite to the surface on which the anode catalyst layer is to be formed, and the solvent contained in the catalyst ink is volatilized. As a result, a cathode catalyst layer was formed on the other surface of the electrolyte membrane to produce an MEA. Note that the electrode areas of the anode catalyst layer and the cathode catalyst layer provided in the MEA were both 13 [cm 2 ].

このようにして作製したMEAのアノード触媒層側へ、比較例1にかかるガス拡散層を配設するとともに、カソード触媒層側へ、実施例1にかかるガス拡散層を配設することにより、実施例1にかかる積層体を構成し、当該積層体の両側へ、ガス流路を備えるカーボンセパレータをそれぞれ配設することにより、実施例1にかかる単セルを作製した。
これに対し、上記MEAのアノード触媒層側及びカソード触媒層側へ、比較例1にかかるガス拡散層をそれぞれ配設することにより、比較例1にかかる積層体を構成し、当該積層体の両側へ、ガス流路を備えるカーボンセパレータをそれぞれ配設することにより、比較例1にかかる単セルを作製した。
The gas diffusion layer according to Comparative Example 1 was disposed on the anode catalyst layer side of the MEA thus produced, and the gas diffusion layer according to Example 1 was disposed on the cathode catalyst layer side. A single cell according to Example 1 was manufactured by configuring the multilayer body according to Example 1 and disposing carbon separators having gas flow paths on both sides of the multilayer body.
On the other hand, the gas diffusion layer according to Comparative Example 1 is disposed on the anode catalyst layer side and the cathode catalyst layer side of the MEA, respectively, so that the laminate according to Comparative Example 1 is configured and both sides of the laminate are formed. The single cell concerning the comparative example 1 was produced by arrange | positioning the carbon separator provided with a gas flow path to each.

一方、上記MEAのアノード触媒層側へ、比較例2にかかるガス拡散層を配設するとともに、カソード触媒層側へ、実施例2にかかるガス拡散層を配設することにより、実施例2にかかる積層体を構成し、当該積層体の両側へ、ガス流路を備えるカーボンセパレータをそれぞれ配設することにより、実施例2にかかる単セルを作製した。
これに対し、上記MEAのアノード触媒層側及びカソード触媒層側へ、比較例2にかかるガス拡散層をそれぞれ配設することにより、比較例2にかかる積層体を構成し、当該積層体の両側へ、ガス流路を備えるカーボンセパレータをそれぞれ配設することにより、比較例2にかかる単セルを作製した。
On the other hand, the gas diffusion layer according to Comparative Example 2 is disposed on the anode catalyst layer side of the MEA, and the gas diffusion layer according to Example 2 is disposed on the cathode catalyst layer side. A single cell according to Example 2 was manufactured by constituting such a laminate and disposing carbon separators each having a gas flow path on both sides of the laminate.
On the other hand, a gas diffusion layer according to Comparative Example 2 is provided on the anode catalyst layer side and the cathode catalyst layer side of the MEA, thereby forming a laminate according to Comparative Example 2, and both sides of the laminate are provided. The single cell concerning the comparative example 2 was produced by arrange | positioning each carbon separator provided with a gas flow path.

2.2.発電性能評価
作製した上記単セル(実施例1、比較例1、実施例2、及び、比較例2)のアノード触媒層側に水素(温度:80[℃]、相対湿度:100[%]、背圧:100[kPa]、流量:0.272[L/min])を供給するとともに、カソード触媒層側に空気(温度:80[℃]、相対湿度:100[%]、背圧:100[kPa]、流量:0.866[L/min])を供給した状態で、単セルを運転し、その発電性能を評価した。実施例1にかかる単セルの結果及び比較例1にかかる単セルの結果を図7に、実施例2にかかる単セルの結果及び比較例2にかかる単セルの結果を図8に、併せて示す。図7及び図8の縦軸は電圧[V]、横軸は電流密度[A/cm]である。
2.2. Power generation performance evaluation Hydrogen (temperature: 80 [° C.], relative humidity: 100 [%] on the anode catalyst layer side of the produced single cell (Example 1, Comparative Example 1, Example 2, and Comparative Example 2), Back pressure: 100 [kPa], flow rate: 0.272 [L / min]), and air (temperature: 80 [° C.], relative humidity: 100 [%], back pressure: 100 on the cathode catalyst layer side. [KPa], flow rate: 0.866 [L / min]) was supplied, the single cell was operated, and the power generation performance was evaluated. The result of the single cell according to Example 1 and the result of the single cell according to Comparative Example 1 are shown in FIG. 7, the result of the single cell according to Example 2 and the result of the single cell according to Comparative Example 2 are shown in FIG. Show. 7 and 8, the vertical axis represents voltage [V], and the horizontal axis represents current density [A / cm 2 ].

2.3.結果
図7に示すように、低電流密度領域では、実施例1にかかる単セルと比較例1にかかる単セルの発電性能は同等であったが、多量の水が生成される高電流密度領域では、比較例1にかかる単セルよりも実施例1にかかる単セルの方が高性能であった。これは、実施例1にかかる単セルには、水が生成されるカソード触媒層側に、排水性を向上させることが可能な実施例1にかかるガス拡散層が備えられていたため、高電流密度領域においても多くの水を単セル外へと排出可能であった結果、いわゆるフラッディングが抑制されたためであると考えられる。
2.3. Results As shown in FIG. 7, in the low current density region, the power generation performance of the single cell according to Example 1 and the single cell according to Comparative Example 1 was the same, but a high current density region in which a large amount of water was generated. Then, the single cell according to Example 1 had higher performance than the single cell according to Comparative Example 1. This is because the single cell according to Example 1 was provided with the gas diffusion layer according to Example 1 capable of improving drainage on the cathode catalyst layer side where water was generated. It is thought that this is because so-called flooding was suppressed as a result of being able to discharge a large amount of water outside the single cell even in the region.

他方、図8に示すように、低電流密度領域では、実施例2にかかる単セルと比較例2にかかる単セルの発電性能は同等であったが、多量の水が生成される高電流密度領域では、比較例2にかかる単セルよりも実施例2にかかる単セルの方が高性能であった。これは、実施例2にかかる単セルには、水が生成されるカソード触媒層側に、排水性を向上させることが可能な実施例2にかかるガス拡散層が備えられていたため、高電流密度領域においても多くの水を単セル外へと排出可能であった結果、いわゆるフラッディングが抑制されたためであると考えられる。   On the other hand, as shown in FIG. 8, in the low current density region, the power generation performance of the single cell according to Example 2 and the single cell according to Comparative Example 2 was the same, but a high current density at which a large amount of water was generated. In the area, the single cell according to Example 2 had higher performance than the single cell according to Comparative Example 2. This is because the single cell according to Example 2 was provided with the gas diffusion layer according to Example 2 capable of improving drainage on the cathode catalyst layer side where water was generated. It is thought that this is because so-called flooding was suppressed as a result of being able to discharge a large amount of water outside the single cell even in the region.

以上より、本発明のガス拡散層によれば排水性を向上させることが可能であり、当該ガス拡散層を備える本発明の燃料電池によれば、特に高電流密度領域において、性能を向上させることが可能になる。さらに、当該結果から、本発明によれば、排水性を向上させることが可能なガス拡散層を製造し得る、ガス拡散層の製造方法を提供でき、性能を向上させることが可能な燃料電池を製造し得る、燃料電池の製造方法を提供できる。   As described above, according to the gas diffusion layer of the present invention, it is possible to improve drainage, and according to the fuel cell of the present invention including the gas diffusion layer, the performance can be improved particularly in a high current density region. Is possible. Furthermore, from this result, according to the present invention, there can be provided a method for producing a gas diffusion layer capable of producing a gas diffusion layer capable of improving drainage, and a fuel cell capable of improving performance. A method of manufacturing a fuel cell that can be manufactured can be provided.

ガス拡散層1の形態例を概略的に示す断面図である。2 is a cross-sectional view schematically showing an example of a form of a gas diffusion layer 1. FIG. 本発明のガス拡散層の製造方法に備えられる工程を概略的に示すフローチャートである。It is a flowchart which shows roughly the process with which the manufacturing method of the gas diffusion layer of this invention is equipped. 撥水層形成工程の形態例を示す概念図である。It is a conceptual diagram which shows the example of a form of a water repellent layer formation process. 本発明の燃料電池に備えられる単セル10の形態例を概略的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows schematically the example of the form of the single cell 10 with which the fuel cell of this invention is equipped. 本発明の燃料電池の製造方法に備えられる工程を概略的に示すフローチャートである。It is a flowchart which shows roughly the process with which the manufacturing method of the fuel cell of this invention is equipped. 浸漬時間と接触角θとの関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between immersion time and contact angle (theta). 発電性能評価試験の結果を示す図である。It is a figure which shows the result of a power generation performance evaluation test. 発電性能評価試験の結果を示す図である。It is a figure which shows the result of a power generation performance evaluation test.

符号の説明Explanation of symbols

1、1a、1b…ガス拡散層
2、2’…拡散層基材
3、3’…撥水層
4…構造体
5…電解質膜
6…アノード触媒層
7…カソード触媒層
8…MEA(膜電極構造体)
9、9a、9b…セパレータ
10…単セル
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1, 1a, 1b ... Gas diffusion layer 2, 2 '... Diffusion layer base material 3, 3' ... Water-repellent layer 4 ... Structure 5 ... Electrolyte membrane 6 ... Anode catalyst layer 7 ... Cathode catalyst layer 8 ... MEA (membrane electrode) Structure)
9, 9a, 9b ... separator 10 ... single cell

Claims (6)

炭素材料を含有する拡散層基材と、該拡散層基材の表面に形成された撥水層と、を有し、
前記撥水層に、炭素材料及び撥水性樹脂が含有され、
前記拡散層基材及び前記撥水層に、熱水処理が施されていることを特徴とする、ガス拡散層。
A diffusion layer base material containing a carbon material, and a water repellent layer formed on the surface of the diffusion layer base material,
The water repellent layer contains a carbon material and a water repellent resin,
A gas diffusion layer, wherein the diffusion layer base material and the water repellent layer are subjected to hot water treatment.
前記撥水性樹脂に、ポリテトラフルオロエチレン樹脂が含有されることを特徴とする、請求項1に記載のガス拡散層。 The gas diffusion layer according to claim 1, wherein the water-repellent resin contains a polytetrafluoroethylene resin. 炭素材料を含有する拡散層基材と、該拡散層基材の表面に形成された撥水層と、を備えるガス拡散層を製造する方法であって、
前記拡散層基材の表面に、炭素材料及び撥水性樹脂を含有する組成物を塗布することにより、前記拡散層基材の前記表面に前記撥水層を形成して構造体を作製する、撥水層形成工程と、
前記撥水層形成工程によって作製した前記構造体を、熱水で処理する、熱水処理工程と、
を有することを特徴とする、ガス拡散層の製造方法。
A method for producing a gas diffusion layer comprising a diffusion layer substrate containing a carbon material, and a water repellent layer formed on the surface of the diffusion layer substrate,
By applying a composition containing a carbon material and a water-repellent resin to the surface of the diffusion layer substrate, the water-repellent layer is formed on the surface of the diffusion layer substrate to produce a structure. An aqueous layer forming step;
A hot water treatment step of treating the structure produced by the water repellent layer forming step with hot water;
A method for producing a gas diffusion layer, comprising:
前記撥水性樹脂に、ポリテトラフルオロエチレン樹脂が含有されることを特徴とする、請求項3に記載のガス拡散層の製造方法。 The method for producing a gas diffusion layer according to claim 3, wherein the water-repellent resin contains a polytetrafluoroethylene resin. 膜電極構造体と、該膜電極構造体の少なくとも一方に配設されるガス拡散層と、を備え、
前記ガス拡散層が、請求項1又は2に記載のガス拡散層であることを特徴とする、燃料電池。
A membrane electrode structure, and a gas diffusion layer disposed on at least one of the membrane electrode structures,
The fuel cell according to claim 1, wherein the gas diffusion layer is the gas diffusion layer according to claim 1.
膜電極構造体と、該膜電極構造体の少なくとも一方に配設されるガス拡散層と、を備える燃料電池を製造する方法であって、
前記ガス拡散層が、炭素材料を含有する拡散層基材と、該拡散層基材の表面に形成された撥水層と、を有し、
前記拡散層基材の表面に、炭素材料及び撥水性樹脂を含有する組成物を塗布することにより、前記拡散層基材の前記表面に前記撥水層を形成して構造体を作製する、構造体作製工程と、
前記構造体作製工程によって作製した前記構造体を熱水で処理することにより、ガス拡散層を作製する、ガス拡散層作製工程と、
前記膜電極構造体を作製する、膜電極構造体作製工程と、
前記膜電極構造体作製工程によって作製した前記膜電極構造体の少なくとも一方に、前記ガス拡散層作製工程によって作製した前記ガス拡散層を配設する、配設工程と、
を備えることを特徴とする、燃料電池の製造方法。
A method of manufacturing a fuel cell comprising: a membrane electrode structure; and a gas diffusion layer disposed on at least one of the membrane electrode structures,
The gas diffusion layer has a diffusion layer base material containing a carbon material, and a water repellent layer formed on the surface of the diffusion layer base material,
A structure is produced by applying a composition containing a carbon material and a water-repellent resin to the surface of the diffusion layer base material to form the water-repellent layer on the surface of the diffusion layer base material. Body preparation process,
A gas diffusion layer preparation step of preparing a gas diffusion layer by treating the structure prepared in the structure preparation step with hot water;
Producing the membrane electrode structure, a membrane electrode structure production step;
Disposing the gas diffusion layer prepared by the gas diffusion layer preparation step on at least one of the membrane electrode structures prepared by the membrane electrode structure preparation step; and
A method for producing a fuel cell, comprising:
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