JP2009238388A - Paste for micropore layer, membrane electrode assembly, and fuel cell - Google Patents

Paste for micropore layer, membrane electrode assembly, and fuel cell Download PDF

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To suppress occurrence of cracks in a porous layer constituting an electrode of a fuel cell. <P>SOLUTION: A membrane-electrode assembly 50 has a solid polyelectrolyte membrane 20, an anode 22, and a cathode 24. The anode 22 has a laminate composed of a catalyst layer 26 and a gas diffusion layer 28. The cathode 24 has the laminate composed of the catalyst layer 30 and the gas diffusion layer 32. The gas diffusion layer 28 has a micropore layer 29 contacting the catalyst layer 26. Moreover, the gas diffusion layer 32 has the micropore layer 33 contacting the catalyst layer 30. The micropore layer 29 and the micropore layer 33 are respectively kneaded pasty materials obtained by kneading conductive powders, a water repellent, and an insulating heat-curable resin. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、水素と酸素の電気化学反応により発電する燃料電池に関する。   The present invention relates to a fuel cell that generates electricity by an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen.

近年、エネルギー変換効率が高く、かつ、発電反応により有害物質を発生しない燃料電池が注目を浴びている。こうした燃料電池の一つとして、100℃以下の低温で作動する固体高分子形燃料電池が知られている。   In recent years, fuel cells that have high energy conversion efficiency and do not generate harmful substances due to power generation reactions have attracted attention. As one of such fuel cells, a polymer electrolyte fuel cell that operates at a low temperature of 100 ° C. or lower is known.

固体高分子形燃料電池は、電解質膜である固体高分子膜を燃料極と空気極との間に配した基本構造を有し、燃料極に水素を含む燃料ガス、空気極に酸素を含む酸化剤ガスを供給し、以下の電気化学反応により発電する装置である。   A polymer electrolyte fuel cell has a basic structure in which a polymer electrolyte membrane, which is an electrolyte membrane, is disposed between a fuel electrode and an air electrode. The fuel electrode contains hydrogen and the air electrode contains oxygen. It is a device that supplies the agent gas and generates power by the following electrochemical reaction.

燃料極:H→2H+2e ・・・(1)
空気極:1/2O+2H+2e→HO ・・・(2)
アノードおよびカソードは、それぞれ触媒層とガス拡散層が積層した構造からなる。各電極の触媒層が固体高分子膜を挟んで対向配置され、燃料電池を構成する。触媒層は、触媒を担持した炭素粒子がイオン交換樹脂により結着されてなる層である。ガス拡散層は酸化剤ガスや燃料ガスの通過経路となる。
Fuel electrode: H 2 → 2H + + 2e (1)
Cathode: 1 / 2O 2 + 2H + + 2e - → H 2 O ··· (2)
The anode and cathode each have a structure in which a catalyst layer and a gas diffusion layer are laminated. The catalyst layers of the electrodes are arranged opposite to each other with the solid polymer film interposed therebetween, thereby constituting a fuel cell. The catalyst layer is a layer formed by binding carbon particles carrying a catalyst with an ion exchange resin. The gas diffusion layer becomes a passage for the oxidant gas and the fuel gas.

アノードにおいては、供給された燃料中に含まれる水素が上記式(1)に示されるように水素イオンと電子に分解される。このうち水素イオンは固体高分子電解質膜の内部を空気極に向かって移動し、電子は外部回路を通って空気極に移動する。一方、カソードにおいては、カソードに供給された酸化剤ガスに含まれる酸素が燃料極から移動してきた水素イオンおよび電子と反応し、上記式(2)に示されるように水が生成する。このように、外部回路では燃料極から空気極に向かって電子が移動するため、電力が取り出される(特許文献1参照)。
特開2002−203569号公報
At the anode, hydrogen contained in the supplied fuel is decomposed into hydrogen ions and electrons as shown in the above formula (1). Among these, hydrogen ions move inside the solid polymer electrolyte membrane toward the air electrode, and electrons move to the air electrode through an external circuit. On the other hand, in the cathode, oxygen contained in the oxidant gas supplied to the cathode reacts with hydrogen ions and electrons that have moved from the fuel electrode, and water is generated as shown in the above formula (2). Thus, in the external circuit, electrons move from the fuel electrode toward the air electrode, so that electric power is taken out (see Patent Document 1).
Japanese Patent Laid-Open No. 2002-20369

従来の燃料電池に用いられる拡散層では、電極基材の種類や電極基材に塗布される微細孔層ペーストによって違いはあるものの、微細孔層の表面に大小のクラックが発生していた。このクラックは、微細孔層ペーストを乾燥させる際に、溶媒蒸発に伴う内部応力に微細孔層が耐えらない結果生じると推察される。   In a diffusion layer used in a conventional fuel cell, although there are differences depending on the type of electrode substrate and the microporous layer paste applied to the electrode substrate, large and small cracks have occurred on the surface of the microporous layer. This crack is presumed to result from the inability of the microporous layer to withstand the internal stress accompanying solvent evaporation when the microporous layer paste is dried.

このようなクラックの発生を抑えるために微細孔層ペーストの混練を強め、微細孔層ペースト中のPTFEなどのフッ素系樹脂の繊維化を強くすると、ペースト粘度が増大してしまい、ペースト塗布性が損なわれるという問題が生じる。   In order to suppress the occurrence of such cracks, if the kneading of the microporous layer paste is strengthened and the fiberization of a fluororesin such as PTFE in the microporous layer paste is strengthened, the paste viscosity increases and the paste applicability increases. The problem of being damaged arises.

本発明はこうした課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、電極基材への塗布性を損なうことなく、ガス拡散層を構成する微細孔層のクラックを抑制する技術の提供にある。   This invention is made | formed in view of such a subject, The objective is to provide the technique which suppresses the crack of the microporous layer which comprises a gas diffusion layer, without impairing the applicability | paintability to an electrode base material.

本発明のある態様は、微細孔層用ペーストである。当該微細孔層用ペーストは、燃料電池のガス拡散層を構成する微細孔層に用いられる微細孔層用ペーストであって、導電性粉末と、撥水剤と、絶縁性の熱硬化性樹脂と、を備えることを特徴とする。   One embodiment of the present invention is a paste for a microporous layer. The microporous layer paste is a microporous layer paste used for a microporous layer constituting a gas diffusion layer of a fuel cell, and includes conductive powder, a water repellent, an insulating thermosetting resin, It is characterized by providing.

この態様の微細孔層用ペーストは電極基材に良好に塗布することができ、当該微細孔層用ペーストを電極基材に塗布した後、熱硬化により熱硬化性樹脂に三次元の網目構造を形成させることにより、微細孔層の表面にクラックが発生することを抑制することができる。   The fine pore layer paste of this aspect can be satisfactorily applied to the electrode substrate. After the fine pore layer paste is applied to the electrode substrate, a three-dimensional network structure is formed on the thermosetting resin by thermosetting. By forming it, it can suppress that a crack generate | occur | produces on the surface of a microporous layer.

上記態様の微細孔層ペーストにおいて、熱硬化性樹脂の熱分解温度が撥水剤のガラス転移温度より高くてもよい。また、熱硬化性樹脂の熱硬化開始温度が撥水剤のガラス転移温度より低くてもよい。   In the microporous layer paste of the above aspect, the thermal decomposition temperature of the thermosetting resin may be higher than the glass transition temperature of the water repellent. Further, the thermosetting start temperature of the thermosetting resin may be lower than the glass transition temperature of the water repellent.

また、導電性粉末、撥水剤および熱硬化性樹脂の総重量に対する熱硬化性樹脂の重量比が1wt%以上20wt%以下であってもよい。また、導電性粉末、撥水剤および熱硬化性樹脂の総重量に対する熱硬化性樹脂の重量比が5wt%以上20wt%以下であってもよい。   Further, the weight ratio of the thermosetting resin to the total weight of the conductive powder, the water repellent, and the thermosetting resin may be 1 wt% or more and 20 wt% or less. Further, the weight ratio of the thermosetting resin to the total weight of the conductive powder, the water repellent and the thermosetting resin may be 5 wt% or more and 20 wt% or less.

当該熱硬化性樹脂がポリイミド樹脂、フェノール樹脂、メラミン樹脂、尿素樹脂、アルキド樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ポリウレタン、エポキシ樹脂からなる群より選ばれてもよい。   The thermosetting resin may be selected from the group consisting of polyimide resin, phenol resin, melamine resin, urea resin, alkyd resin, unsaturated polyester resin, polyurethane, and epoxy resin.

本発明の他の態様は、膜電極接合体である。当該膜電極接合体は、電解質膜と、電解質膜の一方の面に設けられたアノードと、電解質膜の他方の面に設けられたカソードと、を備え、アノードおよびカソードのうち少なくとも一方が上述したのいずれかの態様の微細孔層用ペーストを用いて形成された微細孔層を含むガス拡散層を有することを特徴とする。   Another embodiment of the present invention is a membrane electrode assembly. The membrane electrode assembly includes an electrolyte membrane, an anode provided on one surface of the electrolyte membrane, and a cathode provided on the other surface of the electrolyte membrane, and at least one of the anode and the cathode is described above. It has the gas diffusion layer containing the microporous layer formed using the paste for microporous layers of either aspect.

本発明のさらに他の態様は燃料電池である。当該燃料電池は、上述した膜電極接合体備えることを特徴とする。   Yet another embodiment of the present invention is a fuel cell. The fuel cell includes the membrane electrode assembly described above.

なお、上述した各要素を適宜組み合わせたものも、本件特許出願によって特許による保護を求める発明の範囲に含まれうる。   A combination of the above-described elements as appropriate can also be included in the scope of the invention for which patent protection is sought by this patent application.

本発明によれば、燃料電池の電極を構成する微細孔層にクラックが発生することを抑制することができる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, it can suppress that a crack generate | occur | produces in the microporous layer which comprises the electrode of a fuel cell.

以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。なお、すべての図面において、同様な構成要素には同様の符号を付し、適宜説明を省略する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In all the drawings, the same reference numerals are given to the same components, and the description will be omitted as appropriate.

(実施の形態1)
図1は、実施の形態1に係る燃料電池の構造を模式的に示す斜視図である。図2は、図1のA−A線上の断面図である。燃料電池10は、平板状の膜電極接合体50を備え、この膜電極接合体50の両側にはセパレータ34およびセパレータ36が設けられている。この例では一つの膜電極接合体50のみを示すが、セパレータ34やセパレータ36を介して複数の膜電極接合体50を積層して燃料電池スタックが構成されてもよい。膜電極接合体50は、固体高分子電解質膜20、アノード22、およびカソード24を有する。
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a perspective view schematically showing the structure of the fuel cell according to Embodiment 1. FIG. FIG. 2 is a cross-sectional view taken along the line AA of FIG. The fuel cell 10 includes a flat membrane electrode assembly 50, and a separator 34 and a separator 36 are provided on both sides of the membrane electrode assembly 50. In this example, only one membrane electrode assembly 50 is shown, but a fuel cell stack may be configured by stacking a plurality of membrane electrode assemblies 50 via separators 34 and 36. The membrane electrode assembly 50 includes a solid polymer electrolyte membrane 20, an anode 22, and a cathode 24.

アノード22は、触媒層26、およびガス拡散層28からなる積層体を有する。一方、カソード24は、触媒層30およびガス拡散層32からなる積層体を有する。アノード22の触媒層26とカソード24の触媒層30は、固体高分子電解質膜20を挟んで対向するように設けられている。   The anode 22 has a laminate composed of a catalyst layer 26 and a gas diffusion layer 28. On the other hand, the cathode 24 has a laminate composed of a catalyst layer 30 and a gas diffusion layer 32. The catalyst layer 26 of the anode 22 and the catalyst layer 30 of the cathode 24 are provided to face each other with the solid polymer electrolyte membrane 20 interposed therebetween.

アノード22側に設けられるセパレータ34にはガス流路38が設けられている。燃料供給用のマニホールド(図示せず)から燃料ガスがガス流路38に分配され、ガス流路38を通じて膜電極接合体50に燃料ガスが供給される。同様に、カソード24側に設けられるセパレータ36にはガス流路40が設けられている。   A gas flow path 38 is provided in the separator 34 provided on the anode 22 side. Fuel gas is distributed to a gas flow path 38 from a fuel supply manifold (not shown), and the fuel gas is supplied to the membrane electrode assembly 50 through the gas flow path 38. Similarly, a gas flow path 40 is provided in the separator 36 provided on the cathode 24 side.

酸化剤供給用のマニホールド(図示せず)から酸化剤ガスがガス流路40に分配され、ガス流路40を通じて膜電極接合体50に酸化剤ガスが供給される。具体的には、燃料電池10の運転時、燃料ガス、たとえば水素ガスを含有する改質ガスがガス流路38内をガス拡散層28の表面に沿って上方から下方へ流通することにより、アノード22に燃料ガスが供給される。   The oxidant gas is distributed to the gas flow path 40 from the oxidant supply manifold (not shown), and the oxidant gas is supplied to the membrane electrode assembly 50 through the gas flow path 40. Specifically, when the fuel cell 10 is operated, a reformed gas containing a fuel gas, for example, hydrogen gas, flows through the gas flow path 38 along the surface of the gas diffusion layer 28 from the upper side to the lower side. The fuel gas is supplied to 22.

一方、燃料電池10の運転時、酸化剤ガス、たとえば、空気がガス流路40内をガス拡散層32の表面に沿って上方から下方へ流通することにより、カソード24に酸化剤ガスが供給される。これにより、膜電極接合体50内で反応が生じる。ガス拡散層28を介して触媒層26に水素ガスが供給されると、ガス中の水素がプロトンとなり、このプロトンが固体高分子電解質膜20中をカソード24側へ移動する。このとき放出される電子は外部回路に移動し、外部回路からカソード24に流れ込む。一方、ガス拡散層32を介して触媒層30に空気が供給されると、酸素がプロトンと結合して水となる。この結果、外部回路においてはアノード22からカソード24に向かって電子が流れることとなり、電力を取り出すことができる。   On the other hand, during operation of the fuel cell 10, an oxidant gas, for example, air flows through the gas flow path 40 from the upper side to the lower side along the surface of the gas diffusion layer 32, whereby the oxidant gas is supplied to the cathode 24. The Thereby, a reaction occurs in the membrane electrode assembly 50. When hydrogen gas is supplied to the catalyst layer 26 via the gas diffusion layer 28, hydrogen in the gas becomes protons, and these protons move through the solid polymer electrolyte membrane 20 to the cathode 24 side. At this time, the emitted electrons move to the external circuit and flow into the cathode 24 from the external circuit. On the other hand, when air is supplied to the catalyst layer 30 through the gas diffusion layer 32, oxygen is combined with protons to become water. As a result, electrons flow from the anode 22 toward the cathode 24 in the external circuit, and power can be taken out.

固体高分子電解質膜20は、湿潤状態において良好なイオン伝導性を示し、アノード22およびカソード24の間でプロトンを移動させるイオン交換膜として機能する。固体高分子電解質膜20は、含フッ素重合体や非フッ素重合体等の固体高分子材料によって形成され、たとえば、スルホン酸型パーフルオロカーボン重合体、ポリサルホン樹脂、ホスホン酸基又はカルボン酸基を有するパーフルオロカーボン重合体等を用いることができる。スルホン酸型パーフルオロカーボン重合体の例として、ナフィオン(デュポン社製:登録商標)112などがあげられる。また、非フッ素重合体の例として、スルホン化された、芳香族ポリエーテルエーテルケトン、ポリスルホンなどが挙げられる。固体高分子電解質膜20の典型的な膜厚は50μmである。   The solid polymer electrolyte membrane 20 exhibits good ion conductivity in a wet state, and functions as an ion exchange membrane that moves protons between the anode 22 and the cathode 24. The solid polymer electrolyte membrane 20 is formed of a solid polymer material such as a fluorine-containing polymer or a non-fluorine polymer, and is, for example, a sulfonic acid type perfluorocarbon polymer, a polysulfone resin, a phosphonic acid group or a carboxylic acid group-containing par A fluorocarbon polymer or the like can be used. Examples of the sulfonic acid type perfluorocarbon polymer include Nafion (manufactured by DuPont: registered trademark) 112. Examples of non-fluorine polymers include sulfonated aromatic polyetheretherketone and polysulfone. A typical film thickness of the solid polymer electrolyte membrane 20 is 50 μm.

アノード22を構成する触媒層26は、イオン伝導体(イオン交換樹脂)と、金属触媒を担持した炭素粒子すなわち触媒担持炭素粒子とから構成される。触媒層26の典型的な膜厚は10μmである。イオン伝導体は、合金触媒を担持した炭素粒子と固体高分子電解質膜20とを接続し、両者間においてプロトンを伝達する役割を持つ。イオン伝導体は、固体高分子電解質膜20と同様の高分子材料から形成されてよい。   The catalyst layer 26 constituting the anode 22 is composed of an ion conductor (ion exchange resin) and carbon particles carrying a metal catalyst, that is, catalyst-carrying carbon particles. A typical film thickness of the catalyst layer 26 is 10 μm. The ion conductor connects the carbon particles carrying the alloy catalyst and the solid polymer electrolyte membrane 20, and has a role of transmitting protons between the two. The ionic conductor may be formed from the same polymer material as the solid polymer electrolyte membrane 20.

触媒層26に用いられる金属触媒は、たとえば、貴金属とルテニウムとからなる合金触媒が挙げられる。この合金触媒に用いられる貴金属として、たとえば、白金、パラジウムなどが挙げられる。また、金属触媒を担持する炭素粒子として、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、カーボンナノチューブ、カーボンナノオニオンなどが挙げられる。   Examples of the metal catalyst used for the catalyst layer 26 include an alloy catalyst made of a noble metal and ruthenium. Examples of the noble metal used in the alloy catalyst include platinum and palladium. Examples of the carbon particles supporting the metal catalyst include acetylene black, ketjen black, carbon nanotube, and carbon nano-onion.

アノード22を構成するガス拡散層28は、アノードガス拡散基材、およびアノードガス拡散基材に塗布された微細孔層29を有する。アノードガス拡散基材は、電子伝導性を有する多孔体で構成されることが好ましく、たとえばカーボンペーパー、カーボンの織布または不織布などを用いることができる。   The gas diffusion layer 28 constituting the anode 22 has an anode gas diffusion base material and a microporous layer 29 applied to the anode gas diffusion base material. The anode gas diffusion base material is preferably composed of a porous body having electron conductivity, and for example, carbon paper, carbon woven fabric or nonwoven fabric can be used.

アノードガス拡散基材に塗布された微細孔層29は、導電性粉末と撥水剤と絶縁性の熱硬化性樹脂(以下、熱硬化性樹脂という)とを混練して得られるペースト状の混練物である。導電性粉末としては、たとえば、カーボンブラックを用いることができる。また、撥水剤としては、四フッ化エチレン樹脂(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(FEP)などのフッ素系樹脂を用いることができる。なお、撥水剤は結着性を有することがこのましい。ここで、結着性とは、粘りの少ないものやくずれやすいものをつなぎ合わせ、粘りのあるもの(状態)にすることができる性質をいう。撥水剤が結着性を有することにより、導電性粉末と撥水剤と絶縁性の熱硬化性樹脂とを混練することにより、ペーストを得ることができる。   The microporous layer 29 applied to the anode gas diffusion base material is a paste-like kneading obtained by kneading a conductive powder, a water repellent and an insulating thermosetting resin (hereinafter referred to as a thermosetting resin). It is a thing. For example, carbon black can be used as the conductive powder. In addition, as the water repellent, a fluorine resin such as tetrafluoroethylene resin (PTFE) or tetrafluoroethylene / hexafluoropropylene copolymer (FEP) can be used. It is preferable that the water repellent has a binding property. Here, the binding property refers to a property that can be made sticky (state) by joining things that are less sticky or those that tend to break apart. Since the water repellent has binding properties, a paste can be obtained by kneading the conductive powder, the water repellent and the insulating thermosetting resin.

熱硬化性樹脂は、加熱により付加重合、縮合重合、付加縮合または架橋が進行することにより高分子の網目構造を形成し、硬化して元に戻らなくなる性質を有する。   The thermosetting resin has a property of forming a polymer network structure by proceeding addition polymerization, condensation polymerization, addition condensation or cross-linking by heating, and cannot be restored to its original state.

熱硬化性樹脂の熱分解温度は、微細孔層29に撥水剤として用いられるPTFEなどのフッ素系樹脂(撥水剤)のガラス転移温度(Tg)に比べて高いことが望ましい。これによれば、微細孔層用ペーストをカーボンペーパなどの基材に塗布した後、フッ素系樹脂を熱処理する際に、熱硬化性樹脂が熱分解することにより微細孔層29のクラック低減作用が弱められることを抑制できる。   The thermal decomposition temperature of the thermosetting resin is preferably higher than the glass transition temperature (Tg) of a fluororesin (water repellent) such as PTFE used as the water repellent for the microporous layer 29. According to this, when the paste for the microporous layer is applied to a substrate such as carbon paper, and the heat treatment of the fluororesin, the thermosetting resin is thermally decomposed so that the cracks of the microporous layer 29 are reduced. It can suppress being weakened.

また、熱硬化性樹脂の熱硬化開始温度は、30℃より高く、微細孔層29に用いられるPTFEなどのフッ素系樹脂のガラス転移温度より低いことが望ましい。これによれば、室温において熱硬化性樹脂が熱硬化することを回避でき、また、熱硬化性樹脂を熱硬化させることにより三次元網目構造を形成したのち、撥水剤を熱処理することによりクラックの発生を効果的に抑制することができる。   Further, the thermosetting start temperature of the thermosetting resin is desirably higher than 30 ° C. and lower than the glass transition temperature of a fluororesin such as PTFE used for the microporous layer 29. According to this, it is possible to avoid thermosetting the thermosetting resin at room temperature, and after forming a three-dimensional network structure by thermosetting the thermosetting resin, the water repellent is heat-treated to cause cracks. Can be effectively suppressed.

微細孔層29の固形分全体(熱硬化性樹脂、導電性粉末および撥水剤の総重要)に対する熱硬化性樹脂の重量比は1wt%以上20wt%以下であることが望ましく、5wt%以上20wt%以下がより望ましい。熱硬化性樹脂の重量比を1wt%以上とすることにより、ガス拡散層の表面に生じるクラックの数が減少し、クラックの幅および深さを低減することができる。さらに、熱硬化性樹脂の重量比を5wt%以上とすることにより、ガス拡散層の表面にクラックがほとんど発生しなくなる。一方、熱硬化性樹脂の重量比が20wt%より大きくなると、絶縁成分の増加にともなってガス拡散層の抵抗が増大するため、セル電圧の低下を招く。このため、ガス拡散層の導電性を良好に保つ上で、熱硬化性樹脂の重量比は20wt%以下が望ましい。   The weight ratio of the thermosetting resin to the entire solid content of the microporous layer 29 (the total importance of the thermosetting resin, the conductive powder and the water repellent) is desirably 1 wt% or more and 20 wt% or less, preferably 5 wt% or more and 20 wt%. % Or less is more desirable. By setting the weight ratio of the thermosetting resin to 1 wt% or more, the number of cracks generated on the surface of the gas diffusion layer is reduced, and the width and depth of the cracks can be reduced. Furthermore, when the weight ratio of the thermosetting resin is 5 wt% or more, almost no cracks are generated on the surface of the gas diffusion layer. On the other hand, when the weight ratio of the thermosetting resin is greater than 20 wt%, the resistance of the gas diffusion layer increases with the increase of the insulating component, which causes a decrease in cell voltage. For this reason, in order to keep the conductivity of the gas diffusion layer good, the weight ratio of the thermosetting resin is desirably 20 wt% or less.

熱硬化性樹脂としては、ポリイミド樹脂、フェノール樹脂、メラミン樹脂、尿素樹脂、アルキド樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ポリウレタン、エポキシ樹脂などの絶縁樹脂が例示される。このうち、熱硬化性樹脂として、ポリイミド樹脂およびエポキシ樹脂が好適である。   Examples of the thermosetting resin include insulating resins such as polyimide resin, phenol resin, melamine resin, urea resin, alkyd resin, unsaturated polyester resin, polyurethane, and epoxy resin. Of these, polyimide resin and epoxy resin are suitable as the thermosetting resin.

ポリイミド樹脂は高温において安定であり、熱分解が開始するのはPTFEのガラス転移温度(340℃)およびPEPのガラス転移温度(260℃)より高温である。たとえば、ポリイミド樹脂としては、京セラケミカル株式会社製のイミダロイ(KIR−30)が例示される。表1にイミダロイ(KIR−30)の一般特性を示す。   The polyimide resin is stable at a high temperature, and thermal decomposition starts at a temperature higher than the glass transition temperature of PTFE (340 ° C.) and the glass transition temperature of PEP (260 ° C.). For example, as a polyimide resin, Kyocera Chemical Co., Ltd. imidaloy (KIR-30) is illustrated. Table 1 shows the general characteristics of imidaloy (KIR-30).

また、ポリイミド樹脂の硬化温度は、80〜100℃付近で熱硬化が開始するように設定可能である。   Moreover, the curing temperature of the polyimide resin can be set so that thermosetting starts at around 80 to 100 ° C.

また、エポキシ樹脂は、300℃付近まではほぼ安定であり、PTFEのガラス転移温度(340℃)では多少分解するものの、FEPのガラス転移温度(260℃)では安定である。また、エポキシ樹脂は、硬化速度に選択の幅があるという利点を有する。また、温度が高いほど硬化速度が速く、たとえば、100℃における硬化時間は400秒、140℃における硬化時間は100秒である。   In addition, the epoxy resin is almost stable up to about 300 ° C. and decomposes somewhat at the glass transition temperature of PTFE (340 ° C.), but is stable at the glass transition temperature of FEP (260 ° C.). Epoxy resins also have the advantage that there is a range of choices in cure speed. Further, the higher the temperature, the faster the curing rate. For example, the curing time at 100 ° C. is 400 seconds, and the curing time at 140 ° C. is 100 seconds.

カソード24を構成する触媒層30は、イオン伝導体(イオン交換樹脂)と、触媒を担持した炭素粒子すなわち触媒担持炭素粒子とから構成される。イオン伝導体は、触媒を担持した炭素粒子と固体高分子電解質膜20を接続し、両者間においてプロトンを伝達する役割を持つ。イオン伝導体は、固体高分子電解質膜20と同様の高分子材料から形成されてよい。担持される触媒として、たとえば白金または白金合金を用いることができる。白金合金に用いられる金属として、コバルト、ニッケル、鉄、マンガン、イリジウムなどが挙げられる。また触媒を担持する炭素粒子には、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、カーボンナノチューブ、カーボンナノオニオンなどがある。   The catalyst layer 30 constituting the cathode 24 is composed of an ion conductor (ion exchange resin) and carbon particles carrying a catalyst, that is, catalyst-carrying carbon particles. The ionic conductor connects the carbon particles carrying the catalyst and the solid polymer electrolyte membrane 20, and has a role of transmitting protons between the two. The ionic conductor may be formed from the same polymer material as the solid polymer electrolyte membrane 20. For example, platinum or a platinum alloy can be used as the supported catalyst. Examples of the metal used for the platinum alloy include cobalt, nickel, iron, manganese, iridium and the like. Examples of the carbon particles supporting the catalyst include acetylene black, ketjen black, carbon nanotube, and carbon nano-onion.

カソード24を構成するガス拡散層32は、カソードガス拡散基材、およびカソードガス拡散基材に塗布された微細孔層33を有する。カソードガス拡散基材は、電子伝導性を有する多孔体で構成されることが好ましく、たとえばカーボンペーパー、カーボンの織布または不織布などを用いることができる。   The gas diffusion layer 32 constituting the cathode 24 has a cathode gas diffusion base material and a microporous layer 33 applied to the cathode gas diffusion base material. The cathode gas diffusion base material is preferably composed of a porous body having electron conductivity, and for example, carbon paper, carbon woven fabric or nonwoven fabric can be used.

カソードガス拡散基材に塗布された微細孔層33は、導電性粉末と撥水剤と絶縁性の熱硬化性樹脂とを混練して得られるペースト状の混練物であり、上述したアノードガス拡散基材に塗布された微細孔層29と同様である。   The microporous layer 33 applied to the cathode gas diffusion base material is a paste-like kneaded material obtained by kneading the conductive powder, the water repellent and the insulating thermosetting resin, and the anode gas diffusion described above. This is the same as the microporous layer 29 applied to the substrate.

以上説明した燃料電池10によれば、ガス拡散層を構成する微細孔層にクラックが発生することを抑制し、微細孔層をより平滑化することができる。これにより、微細孔層の上に触媒層をより均一に塗布することができるので、水マネージメント性の向上、電解質膜へのダメージの低減を図ることが可能となる。また、PTFEなどの結着性を有する撥水剤で微細孔層にクラックが発生することを抑制しようとすると、ペースト粘度が高くなりすぎるため塗布性に問題が発生じるが、上述した燃料電池10によれば、微細孔層用ペーストの塗布時において最適なペースト状態を維持しつつ、乾燥・熱処理時に高分子網目構造を形成させることにより、クラックを抑制することが可能となる。   According to the fuel cell 10 described above, it is possible to suppress the occurrence of cracks in the microporous layer constituting the gas diffusion layer, and to further smooth the microporous layer. As a result, the catalyst layer can be more uniformly applied on the microporous layer, so that it is possible to improve water management and reduce damage to the electrolyte membrane. Further, if it is attempted to suppress the occurrence of cracks in the microporous layer with a water repellent having a binding property such as PTFE, the paste viscosity becomes too high, causing a problem in applicability. According to the above, cracks can be suppressed by forming a polymer network structure during drying and heat treatment while maintaining an optimum paste state during application of the fine pore layer paste.

なお、上述した燃料電池10では、アノード22およびカソード24の両方の微細孔層に熱硬化性樹脂が用いられているが、アノード22またはカソード24の一方の微細孔層に熱硬化性樹脂が用いられいてもよい。   In the fuel cell 10 described above, a thermosetting resin is used for both the microporous layers of the anode 22 and the cathode 24, but a thermosetting resin is used for one microporous layer of the anode 22 or the cathode 24. It may be done.

(実施例1)
<カソード触媒スラリー作製>
カソード触媒として、白金担持カーボンを用い、イオン伝導体として、ナフィオン(登録商標)溶液(DE2021 20wt%)を用いる。白金担持カーボン5gに対し、10mLの超純水を添加し撹拌した後に、15mLエタノールを添加する。
Example 1
<Cathode catalyst slurry preparation>
Platinum-supported carbon is used as the cathode catalyst, and Nafion (registered trademark) solution (DE2021 20 wt%) is used as the ion conductor. To 5 g of platinum-supporting carbon, 10 mL of ultrapure water is added and stirred, and then 15 mL of ethanol is added.

この触媒分散溶液について、超音波スターラーを用いて1時間超音波撹拌分散を行う。所定のナフィオン溶液を等量の超純水で希釈を行い、ガラス棒で3分間撹拌する。この後、超音波洗浄器を用いて1時間超音波分散を行い、ナフィオン水溶液を得る。その後、ナフィオン水溶液をゆっくりと触媒分散液中に滴下する。滴下中は、超音波スターラーを用いて連続的に撹拌を行う。ナフィオン水溶液滴下終了後、1-プロパノールと1-ブタノールの混合溶液10g(重量比1:1)の滴下を行い、得られた溶液を触媒スラリーとする。混合中は、すべて水温が約60℃になるように調整し、エタノールを蒸発、除去する。   The catalyst dispersion solution is subjected to ultrasonic stirring dispersion for 1 hour using an ultrasonic stirrer. Dilute a given Nafion solution with an equal volume of ultrapure water and stir with a glass rod for 3 minutes. Thereafter, ultrasonic dispersion is performed for 1 hour using an ultrasonic cleaner to obtain a Nafion aqueous solution. Thereafter, the aqueous Nafion solution is slowly dropped into the catalyst dispersion. During dropping, stirring is continuously performed using an ultrasonic stirrer. After completion of the Nafion aqueous solution dropwise addition, 10 g of a mixed solution of 1-propanol and 1-butanol (weight ratio 1: 1) is dropped, and the resulting solution is used as a catalyst slurry. During mixing, the water temperature is all adjusted to about 60 ° C., and ethanol is evaporated and removed.

<カソードガス拡散層作製>
バルカンXC72(カーボンブラック)17.3g、テルピネオール(溶媒)130.1g、トリトンx−100(界面活性剤)2.6g、ルブロン微粉末4.32g、PTFE微粉末0.54gをハイブリッドミキサーにて10分間混合した後、ポリイミド樹脂4.42g(固形分比率(カーボンブラック、PTFEおよびポリイミド樹脂の総重量に対するポリイミド樹脂の重量比)で20%)を加え、さらに3分間混合し、微細孔層用ペーストを作製する。その後、作製した微細孔層用ペーストを、撥水処理を行ったカーボン基材に1.92〜2.24mg/cmの範囲で塗布を行う。その後、熱処理炉にて120℃で2時間乾燥を行う。乾燥後、340℃で1時間熱処理を行う。
<Cathode gas diffusion layer preparation>
Vulcan XC72 (carbon black) 17.3g, Terpineol (solvent) 130.1g, Triton x-100 (surfactant) 2.6g, Lubron fine powder 4.32g, PTFE fine powder 0.54g in a hybrid mixer 10 After mixing for 4 minutes, 4.42 g of polyimide resin (solid content ratio (weight ratio of polyimide resin to the total weight of carbon black, PTFE and polyimide resin) of 20%) is added, and further mixed for 3 minutes, and paste for microporous layer Is made. Thereafter, the prepared microporous layer paste is applied to a carbon substrate subjected to a water repellent treatment in a range of 1.92 to 2.24 mg / cm 2 . Then, drying is performed at 120 ° C. for 2 hours in a heat treatment furnace. After drying, heat treatment is performed at 340 ° C. for 1 hour.

<カソード作製>
上記の方法で作製した触媒スラリーをスクリーン印刷(150メッシュ)によって、上記の方法で作製した微細孔層付きのカソードガス拡散層に塗布し、80℃、3時間の乾燥および180℃、45分の熱処理を行う。
<Cathode fabrication>
The catalyst slurry prepared by the above method was applied by screen printing (150 mesh) to the cathode gas diffusion layer with a microporous layer prepared by the above method, dried at 80 ° C. for 3 hours, and 180 ° C. for 45 minutes. Heat treatment is performed.

<アノード触媒スラリーの作製>
アノード触媒層用の触媒スラリーの作製方法は、触媒として白金ルテニウム担持カーボン(TEC61E54、田中貴金属工業株式会社)を使用する点を除き、カソード触媒スラリーの作製方法と同様である。イオン伝導体として、ナフィオンを用いる。
<Preparation of anode catalyst slurry>
The method for preparing the catalyst slurry for the anode catalyst layer is the same as the method for preparing the cathode catalyst slurry, except that platinum ruthenium-supported carbon (TEC61E54, Tanaka Kikinzoku Kogyo Co., Ltd.) is used as the catalyst. Nafion is used as the ionic conductor.

<アノードガス拡散層作製>
アノードガス拡散層は、上述したカソードガス拡散層の作製方法と同様である。
<Preparation of anode gas diffusion layer>
The anode gas diffusion layer is the same as the method for producing the cathode gas diffusion layer described above.

<アノード作製>
上記の方法で作製したアノード触媒スラリーを順にスクリーン印刷(150メッシュ)によって、微細孔層付きのアノードガス拡散層に塗布し、80℃、3時間の乾燥および180℃、45分の熱処理を行う。
<Anode fabrication>
The anode catalyst slurry produced by the above method is sequentially applied to the anode gas diffusion layer with a fine pore layer by screen printing (150 mesh), dried at 80 ° C. for 3 hours, and subjected to heat treatment at 180 ° C. for 45 minutes.

<膜電極接合体の作製>
上記の方法で作製したアノードとカソードとの間に固体高分子電解質膜を狭持した状態でホットプレスを行う。固体高分子電解質膜としてナフィオンを用いる。170℃、200秒の接合条件でアノード、固体高分子電解質膜、およびカソードをホットプレスすることによって膜電極接合体を作製する。
<Preparation of membrane electrode assembly>
Hot pressing is performed with the solid polymer electrolyte membrane sandwiched between the anode and cathode produced by the above method. Nafion is used as the solid polymer electrolyte membrane. A membrane electrode assembly is fabricated by hot pressing the anode, the solid polymer electrolyte membrane, and the cathode under the bonding conditions of 170 ° C. and 200 seconds.

このようにして得られた膜電極接合体では、微細孔層用ペーストの粘度がガス拡散層のカーボン基材に塗布に適度であることが確認された。また、カソードおよびアノードのガス拡散層を構成する微細孔層は、表面にクラックがほとんどなく平滑であることが確認された。さらに、微細孔層が平滑になることにより、微細孔層に接する触媒層を均一に塗布できることが確認された。   In the membrane electrode assembly thus obtained, it was confirmed that the viscosity of the fine pore layer paste was appropriate for application to the carbon base material of the gas diffusion layer. Further, it was confirmed that the microporous layer constituting the gas diffusion layers of the cathode and the anode was smooth with almost no cracks on the surface. Further, it was confirmed that the catalyst layer in contact with the microporous layer can be applied uniformly by smoothing the microporous layer.

実施例2乃至4では、微細孔層に用いる絶縁性の熱硬化性樹脂としてエポキシ樹脂を用いる。   In Examples 2 to 4, an epoxy resin is used as the insulating thermosetting resin used for the microporous layer.

(実施例2)
実施例2では、エポキシ樹脂の重量比を1wt%とする。具体的には、アノードおよびカソードのガス拡散層を以下の手順で作製する。
(Example 2)
In Example 2, the weight ratio of the epoxy resin is 1 wt%. Specifically, anode and cathode gas diffusion layers are produced by the following procedure.

バルカンXC72(カーボンブラック)17.3g、テルピネオール(溶媒)130.1g、トリトンx−100(界面活性剤)2.6g、ルブロン微粉末4.32g、PTFE微粉末0.54gをハイブリッドミキサーにて10分間混合した後、エポキシ樹脂0.22g(固形分比率(カーボンブラック、PTFEおよびエポキシ樹脂の総重量に対するエポキシ樹脂の重量比)で1%)を加え、さらに3分間混合し、微細孔層用ペーストを作製する。その後、作製した微細孔層用ペーストを、撥水処理を行ったカーボン基材に1.92〜2.24mg/cmの範囲で塗布を行う。その後、熱処理炉にて120℃で2時間乾燥を行う。乾燥後、340℃で1時間熱処理を行う。 Vulcan XC72 (carbon black) 17.3g, Terpineol (solvent) 130.1g, Triton x-100 (surfactant) 2.6g, Lubron fine powder 4.32g, PTFE fine powder 0.54g in a hybrid mixer 10 After mixing for 2 minutes, 0.22 g of epoxy resin (solid content ratio (weight ratio of the epoxy resin to the total weight of carbon black, PTFE and epoxy resin) is 1%) is added, and the mixture is further mixed for 3 minutes. Is made. Thereafter, the prepared microporous layer paste is applied to a carbon substrate subjected to a water repellent treatment in a range of 1.92 to 2.24 mg / cm 2 . Then, drying is performed at 120 ° C. for 2 hours in a heat treatment furnace. After drying, heat treatment is performed at 340 ° C. for 1 hour.

このようにして得られたアノードおよびカソードのガス拡散層を用いて実施例1と同様に膜電極接合体を作製した。   Using the anode and cathode gas diffusion layers thus obtained, a membrane / electrode assembly was produced in the same manner as in Example 1.

(実施例3)
実施例3では、エポキシ樹脂の重量比を5wt%とする。具体的には、アノードおよびカソードのガス拡散層を実施例2と同様の手順で作製する際に、熱硬化性樹脂としてエポキシ樹脂1.11gを用いる。得られたアノードおよびカソードのガス拡散層を用いて実施例1と同様に膜電極接合体を作製した。
(Example 3)
In Example 3, the weight ratio of the epoxy resin is 5 wt%. Specifically, 1.11 g of epoxy resin is used as a thermosetting resin when the anode and cathode gas diffusion layers are produced in the same procedure as in Example 2. Using the obtained anode and cathode gas diffusion layers, a membrane electrode assembly was produced in the same manner as in Example 1.

(実施例4)
実施例4では、エポキシ樹脂の重量比を20wt%とする。具体的には、アノードおよびカソードのガス拡散層を実施例2と同様の手順で作製する際に、熱硬化性樹脂としてエポキシ樹脂4.42gを用いる。得られたアノードおよびカソードのガス拡散層を用いて実施例1と同様に膜電極接合体を作製した。
Example 4
In Example 4, the weight ratio of the epoxy resin is 20 wt%. Specifically, when the anode and cathode gas diffusion layers are produced in the same procedure as in Example 2, 4.42 g of epoxy resin is used as the thermosetting resin. Using the obtained anode and cathode gas diffusion layers, a membrane electrode assembly was produced in the same manner as in Example 1.

(比較例1)
比較例1として、従来タイプの熱硬化性樹脂を用いていない微細孔層付きのガス拡散層を作製し、膜電極接合体を作製した。膜電極接合体の作製方法は、微細孔層に熱硬化性樹脂を用いていない点を除き、実施例1と同様である。
(Comparative Example 1)
As Comparative Example 1, a gas diffusion layer with a microporous layer that did not use a conventional thermosetting resin was produced, and a membrane electrode assembly was produced. The manufacturing method of the membrane electrode assembly is the same as that of Example 1 except that a thermosetting resin is not used for the microporous layer.

(比較例2)
比較例2では、エポキシ樹脂の重量比を30wt%とする。具体的には、アノードおよびカソードのガス拡散層を実施例2と同様の手順で作製する際に、熱硬化性樹脂としてエポキシ樹脂6.63gを用いる。得られたアノードおよびカソードのガス拡散層を用いて実施例1と同様に膜電極接合体を作製した。
(Comparative Example 2)
In Comparative Example 2, the weight ratio of the epoxy resin is 30 wt%. Specifically, when the anode and cathode gas diffusion layers are produced in the same procedure as in Example 2, 6.63 g of epoxy resin is used as the thermosetting resin. Using the obtained anode and cathode gas diffusion layers, a membrane electrode assembly was produced in the same manner as in Example 1.

図3(A)乃至(D)は、それぞれ比較例1、実施例2乃至4の多孔質層の表面状態を撮影した顕微鏡像である。   3A to 3D are microscopic images obtained by photographing the surface states of the porous layers of Comparative Example 1 and Examples 2 to 4, respectively.

比較例1に係る従来タイプの微細孔層では、微細孔層の表面に無数のクラックが生じている。これに対して、エポキシ樹脂の重量比を1wt%とした実施例2では、クラックの数が低減するとともに、クラックの幅および深さが大幅に減少することが確認された。さらに、エポキシ樹脂の重量比をそれぞれ5wt%、20wt%とした実施例3、実施例4では、微細孔層の表面にクラックがほとんど発生しなくなり、表面が平滑になることが確認された。   In the conventional type microporous layer according to Comparative Example 1, countless cracks are generated on the surface of the microporous layer. In contrast, in Example 2 in which the weight ratio of the epoxy resin was 1 wt%, it was confirmed that the number of cracks was reduced and the width and depth of the cracks were significantly reduced. Furthermore, in Example 3 and Example 4 in which the weight ratio of the epoxy resin was 5 wt% and 20 wt%, respectively, it was confirmed that almost no cracks occurred on the surface of the microporous layer, and the surface became smooth.

実施例3、4および比較例1、2のガス拡散層を用いて、ガス拡散層に加えられる締め付け圧力を変えて、それぞれの圧力下で抵抗を測定した。なお、実際にガス拡散層に加えられる締め付け圧力は、3.3MPa程度である図4は、ガス拡散層に加えられる締め付け圧力とガス拡散層の抵抗との関係を示すグラフである。図4からわかるように、エポキシ樹脂の重量比が30wt%になると、絶縁成分の増加によりガス拡散層の抵抗が急増することがわかる。たとえば、電流密度が0.3A/cmの場合には、10mV以上の電圧低下が生じる可能性がある。このため、絶縁樹脂の重量比は、ガス拡散層の導電性を良好に保つために、20wt%以下であることが望ましい。 Using the gas diffusion layers of Examples 3 and 4 and Comparative Examples 1 and 2, the clamping pressure applied to the gas diffusion layer was changed, and the resistance was measured under each pressure. The clamping pressure actually applied to the gas diffusion layer is about 3.3 MPa. FIG. 4 is a graph showing the relationship between the clamping pressure applied to the gas diffusion layer and the resistance of the gas diffusion layer. As can be seen from FIG. 4, when the weight ratio of the epoxy resin is 30 wt%, it can be seen that the resistance of the gas diffusion layer rapidly increases due to the increase of the insulating component. For example, when the current density is 0.3 A / cm 2 , a voltage drop of 10 mV or more may occur. For this reason, the weight ratio of the insulating resin is desirably 20 wt% or less in order to keep the conductivity of the gas diffusion layer good.

(実施の形態2)
図5は、実施の形態2に係る燃料電池の構造を模式的に示す断面図である。実施の形態2に係る燃料電池は、アノード22およびカソード24をそれぞれ構成するガス拡散層に多層の微細孔層が設けられている点を除き、実施の形態2に係る燃料電池の基本的な構成と同様である。
(Embodiment 2)
FIG. 5 is a cross-sectional view schematically showing the structure of the fuel cell according to the second embodiment. The fuel cell according to Embodiment 2 has the basic configuration of the fuel cell according to Embodiment 2 except that a multilayer microporous layer is provided in the gas diffusion layers that constitute the anode 22 and the cathode 24, respectively. It is the same.

具体的には、アノード22を構成するガス拡散層28は、微細孔層29aおよび微細孔層29bからなる二層構造の微細孔層を有する。微細孔層29aは触媒層26側に設けられ、一方の面が触媒層26と接している。微細孔層29bは、一方の面が微細孔層29aと接し、ガス流路38側に設けられている。微細孔層29aは、実施の形態1の微細孔層29と同様であり、導電性粉末と撥水剤と絶縁性の熱硬化性樹脂とを混練して得られるペースト状の混練物である。一方、微細孔層29bは、絶縁性の熱硬化性樹脂を含まない、導電性粉末と撥水剤とを混練して得られるペースト状の混練物である。   Specifically, the gas diffusion layer 28 constituting the anode 22 has a microporous layer having a two-layer structure including a microporous layer 29a and a microporous layer 29b. The microporous layer 29 a is provided on the catalyst layer 26 side, and one surface is in contact with the catalyst layer 26. The microporous layer 29b has one surface in contact with the microporous layer 29a and is provided on the gas flow path 38 side. The microporous layer 29a is the same as the microporous layer 29 of the first embodiment, and is a paste-like kneaded material obtained by kneading conductive powder, a water repellent, and an insulating thermosetting resin. On the other hand, the microporous layer 29b is a paste-like kneaded material obtained by kneading a conductive powder and a water repellent, which does not contain an insulating thermosetting resin.

また、カソード24を構成するガス拡散層32は、微細孔層33aおよび微細孔層33bからなる二層構造の微細孔層を有する。微細孔層33aは触媒層30側に設けられ、一方の面が触媒層30と接している。微細孔層33bは、一方の面が微細孔層33aと接し、ガス流路40側に設けられている。微細孔層33aは、実施の形態1の微細孔層29と同様であり、導電性粉末と撥水剤と絶縁性の熱硬化性樹脂とを混練して得られるペースト状の混練物である。一方、微細孔層33bは、絶縁性の熱硬化性樹脂を含まない、導電性粉末と撥水剤とを混練して得られるペースト状の混練物である。   The gas diffusion layer 32 constituting the cathode 24 has a microporous layer having a two-layer structure including a microporous layer 33a and a microporous layer 33b. The microporous layer 33 a is provided on the catalyst layer 30 side, and one surface is in contact with the catalyst layer 30. One surface of the microporous layer 33b is in contact with the microporous layer 33a and is provided on the gas flow path 40 side. The microporous layer 33a is the same as the microporous layer 29 of the first embodiment, and is a paste-like kneaded material obtained by kneading a conductive powder, a water repellent, and an insulating thermosetting resin. On the other hand, the microporous layer 33b is a paste-like kneaded material obtained by kneading a conductive powder and a water repellent without containing an insulating thermosetting resin.

本実施の形態の燃料電池によれば、触媒層と接する微細孔層の必要最低限な領域に絶縁性の熱硬化性樹脂を混合することにより、触媒層と接する微細孔層の表面にクラックが発生することを抑制しつつ、ガス拡散層の導電性を良好に保つことができる。   According to the fuel cell of the present embodiment, by mixing an insulating thermosetting resin in the minimum necessary region of the microporous layer that contacts the catalyst layer, cracks are generated on the surface of the microporous layer that contacts the catalyst layer. While suppressing generation | occurrence | production, the electroconductivity of a gas diffusion layer can be kept favorable.

(実施例5)
実施例5に係るガス拡散層の作製方法について説明する。まず、バルカンXC72(カーボンブラック)17.3g、テルピネオール(溶媒)130.1g、トリトンx−100(界面活性剤)2.6g、ルブロン微粉末4.32g、PTFE微粉末0.54gをハイブリッドミキサーにて10分間混合し、第1の微細孔層用ペーストを作製した。
(Example 5)
A method for producing a gas diffusion layer according to Example 5 will be described. First, 17.3 g of Vulcan XC72 (carbon black), 130.1 g of terpineol (solvent), 2.6 g of Triton x-100 (surfactant), 4.32 g of Lubron fine powder, and 0.54 g of PTFE fine powder were used as a hybrid mixer. For 10 minutes to prepare a first microporous layer paste.

また、バルカンXC72(カーボンブラック)17.3g、テルピネオール(溶媒)130.1g、トリトンx−100(界面活性剤)2.6g、ルブロン微粉末4.32g、PTFE微粉末0.54gをハイブリッドミキサーにて10分間混合した後、ポリイミド樹脂4.42g(固形分比率(カーボンブラック、PTFEおよびポリイミド樹脂の総重量に対するポリイミド樹脂の重量比)で20%)を加え、さらに3分間混合し、第2の微細孔層用ペーストを作製する。その後、作製した第1の微細孔層用ペーストを撥水処理を行ったカーボン基材に塗布を行い、120℃で1時間の乾燥を行った後、第2の微細孔層ペーストを塗布し、再度120℃で1時間の乾燥を行う。全体塗布料は、1.92〜2.24mg/cmの範囲とする。その後、340℃で1時間熱処理を行う。 In addition, 17.3 g of Vulcan XC72 (carbon black), 130.1 g of terpineol (solvent), 2.6 g of Triton x-100 (surfactant), 4.32 g of Lubron fine powder, and 0.54 g of PTFE fine powder were used as a hybrid mixer. After mixing for 10 minutes, 4.42 g of polyimide resin (20% in terms of solid content (weight ratio of polyimide resin to the total weight of carbon black, PTFE and polyimide resin)) was added, and further mixed for 3 minutes. A paste for a microporous layer is prepared. Thereafter, the produced first microporous layer paste was applied to a carbon substrate that had been subjected to a water-repellent treatment, and after drying at 120 ° C. for 1 hour, the second microporous layer paste was applied, Dry again at 120 ° C. for 1 hour. The total coating charge is in the range of 1.92 to 2.24 mg / cm 2 . Thereafter, heat treatment is performed at 340 ° C. for 1 hour.

このようにして得られたガス拡散層では、触媒層と接する第2の微細孔層にクラックがほとんど発生せず、第2の微細孔層の表面が平滑であることが確認された。   In the gas diffusion layer thus obtained, it was confirmed that almost no cracks were generated in the second microporous layer in contact with the catalyst layer, and the surface of the second microporous layer was smooth.

なお、上述した実施例では、熱硬化性樹脂の熱硬化と微細孔層用ペーストに含まれる溶媒の蒸発とが一定温度で同時に実施されているが、熱硬化性樹脂の熱硬化を低温度(たとえば、100℃)で行った後、微細孔層ペーストに含まれる溶媒の蒸発を高温度(たとえば、120℃)で行う、2段階の熱処理を実施してもよい。これによれば、熱硬化による熱硬化性樹脂の三次元網目構造の形成と溶媒の蒸発とをより確実に行うことができ、結果的に、微細孔層の表面にクラックをさらに発生しにくくすることができる。   In the above-described embodiment, the thermosetting resin and the solvent contained in the microporous layer paste are simultaneously cured at a constant temperature, but the thermosetting resin is cured at a low temperature ( For example, after being performed at 100 ° C., a two-stage heat treatment may be performed in which the solvent contained in the microporous layer paste is evaporated at a high temperature (for example, 120 ° C.). According to this, the formation of the three-dimensional network structure of the thermosetting resin by the thermosetting and the evaporation of the solvent can be more reliably performed, and as a result, the surface of the microporous layer is further hardly generated. be able to.

実施の形態に係る燃料電池の構造を模式的に示す斜視図である。1 is a perspective view schematically showing the structure of a fuel cell according to an embodiment. 図1のA−A線上の断面図である。It is sectional drawing on the AA line of FIG. 図3(A)乃至(D)は、それぞれ比較例1、実施例2乃至4の多孔質層の表面状態を撮影した顕微鏡像である。3A to 3D are microscopic images obtained by photographing the surface states of the porous layers of Comparative Example 1 and Examples 2 to 4, respectively. ガス拡散層に加えられる締め付け圧力とガス拡散層の抵抗との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the clamping pressure applied to a gas diffusion layer, and the resistance of a gas diffusion layer. 実施の形態2に係る燃料電池の構造を模式的に示す斜視図である。6 is a perspective view schematically showing the structure of a fuel cell according to Embodiment 2. FIG.

符号の説明Explanation of symbols

10 燃料電池、20 固体高分子電解質膜、22 アノード、24 カソード、26,30 触媒層、28,32 ガス拡散層、29,33 微細孔層、50 膜電極接合体。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Fuel cell, 20 Solid polymer electrolyte membrane, 22 Anode, 24 Cathode, 26,30 Catalyst layer, 28,32 Gas diffusion layer, 29,33 Microporous layer, 50 Membrane electrode assembly.

Claims (8)

燃料電池のガス拡散層を構成する微細孔層に用いられる微細孔層用ペーストであって、
導電性粉末と、
撥水剤と、
絶縁性の熱硬化性樹脂と、
を備えることを特徴とする微細孔層用ペースト。
A microporous layer paste used for a microporous layer constituting a gas diffusion layer of a fuel cell,
Conductive powder;
Water repellent,
An insulating thermosetting resin;
A paste for a fine pore layer, comprising:
前記熱硬化性樹脂の熱分解温度が前記撥水剤のガラス転移温度より高いことを特徴とする請求項1に記載の微細孔層用ペースト。   The paste for a microporous layer according to claim 1, wherein a thermal decomposition temperature of the thermosetting resin is higher than a glass transition temperature of the water repellent. 前記熱硬化性樹脂の熱硬化開始温度が前記撥水剤のガラス転移温度より低いことを特徴とする請求項1または2に記載の微細孔層用ペースト。   The microporous layer paste according to claim 1 or 2, wherein a thermosetting start temperature of the thermosetting resin is lower than a glass transition temperature of the water repellent agent. 前記導電性粉末、前記撥水剤および前記熱硬化性樹脂の総重量に対する前記熱硬化性樹脂の重量比が1wt%以上20wt%以下であることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載の微細孔層用ペースト。   The weight ratio of the thermosetting resin to the total weight of the conductive powder, the water repellent, and the thermosetting resin is 1 wt% or more and 20 wt% or less. Item 2. A microporous layer paste according to item. 前記導電性粉末、前記撥水剤および前記熱硬化性樹脂の総重量に対する前記熱硬化性樹脂の重量比が5wt%以上20wt%以下であることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載の微細孔層用ペースト。   The weight ratio of the thermosetting resin to the total weight of the conductive powder, the water repellent, and the thermosetting resin is 5 wt% or more and 20 wt% or less. Item 2. A microporous layer paste according to item. 前記熱硬化性樹脂がポリイミド樹脂、フェノール樹脂、メラミン樹脂、尿素樹脂、アルキド樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ポリウレタン、エポキシ樹脂からなる群より選ばれることを特徴とする請求項1乃至5のいずれか1項に記載の微細孔層用ペースト。   6. The thermosetting resin is selected from the group consisting of polyimide resin, phenol resin, melamine resin, urea resin, alkyd resin, unsaturated polyester resin, polyurethane, and epoxy resin. Item 2. A microporous layer paste according to item. 電解質膜と、
前記電解質膜の一方の面に設けられたアノードと、
前記電解質膜の他方の面に設けられたカソードと、
を備え、
前記アノードおよび前記カソードのうち少なくとも一方が請求項1乃至6のいずれか1項に記載の微細孔層用ペーストを用いて形成された微細孔層を含むガス拡散層を有することを特徴とする膜電極接合体。
An electrolyte membrane;
An anode provided on one surface of the electrolyte membrane;
A cathode provided on the other surface of the electrolyte membrane;
With
7. A film comprising at least one of the anode and the cathode having a gas diffusion layer including a microporous layer formed using the microporous layer paste according to claim 1. Electrode assembly.
請求項7に記載の膜電極接合体備えることを特徴とする燃料電池。   A fuel cell comprising the membrane electrode assembly according to claim 7.
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Cited By (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102557200A (en) * 2010-12-13 2012-07-11 中国科学院城市环境研究所 Novel film aeration and microbial fuel cell wastewater treatment system
JP2014241290A (en) * 2014-08-19 2014-12-25 大日本印刷株式会社 Gas diffusion layer formed with conductive porous layer for polymer electrolyte fuel cell, paste composition for forming conductive porous layer, method for producing the same, and polymer electrolyte fuel cell
JP2015032415A (en) * 2013-08-01 2015-02-16 本田技研工業株式会社 Electrolyte membrane-electrode structure
JP2015057799A (en) * 2009-03-27 2015-03-26 大日本印刷株式会社 Membrane electrode assembly for fuel cell, transfer sheet for manufacturing electrode, and method of manufacturing these
JP2017022046A (en) * 2015-07-14 2017-01-26 アイシン化工株式会社 Paste for microporous layer formation and gas diffusion layer for fuel battery
JP2018142450A (en) * 2017-02-28 2018-09-13 三菱ケミカル株式会社 Gas diffusion layer for solid polymer fuel cell, gas diffusion electrode, and manufacturing method thereof
WO2019107241A1 (en) 2017-11-29 2019-06-06 東レ株式会社 Micro-porous layer and manufacturing method therefor, gas diffusion electrode substrate, and fuel battery
CN111193040A (en) * 2020-01-09 2020-05-22 上海电气集团股份有限公司 Fuel cell gas diffusion layer, preparation method thereof and fuel cell

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2003173788A (en) * 2001-09-28 2003-06-20 Matsushita Electric Ind Co Ltd Gas diffusion layer for polymer electrolyte fuel cell and electrolyte membrane/electrode joint body as well as polymer electrolyte fuel cell
JP2007115574A (en) * 2005-10-21 2007-05-10 Aisin Chem Co Ltd Gas diffusion layer for fuel cell electrode and its manufacturing method
JP2008066151A (en) * 2006-09-07 2008-03-21 Noritake Co Ltd Gas diffusion electrode, its forming method, and membrane-electrode junction

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2003173788A (en) * 2001-09-28 2003-06-20 Matsushita Electric Ind Co Ltd Gas diffusion layer for polymer electrolyte fuel cell and electrolyte membrane/electrode joint body as well as polymer electrolyte fuel cell
JP2007115574A (en) * 2005-10-21 2007-05-10 Aisin Chem Co Ltd Gas diffusion layer for fuel cell electrode and its manufacturing method
JP2008066151A (en) * 2006-09-07 2008-03-21 Noritake Co Ltd Gas diffusion electrode, its forming method, and membrane-electrode junction

Cited By (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2015057799A (en) * 2009-03-27 2015-03-26 大日本印刷株式会社 Membrane electrode assembly for fuel cell, transfer sheet for manufacturing electrode, and method of manufacturing these
CN102557200A (en) * 2010-12-13 2012-07-11 中国科学院城市环境研究所 Novel film aeration and microbial fuel cell wastewater treatment system
JP2015032415A (en) * 2013-08-01 2015-02-16 本田技研工業株式会社 Electrolyte membrane-electrode structure
JP2014241290A (en) * 2014-08-19 2014-12-25 大日本印刷株式会社 Gas diffusion layer formed with conductive porous layer for polymer electrolyte fuel cell, paste composition for forming conductive porous layer, method for producing the same, and polymer electrolyte fuel cell
JP2017022046A (en) * 2015-07-14 2017-01-26 アイシン化工株式会社 Paste for microporous layer formation and gas diffusion layer for fuel battery
JP2018142450A (en) * 2017-02-28 2018-09-13 三菱ケミカル株式会社 Gas diffusion layer for solid polymer fuel cell, gas diffusion electrode, and manufacturing method thereof
JP2021141072A (en) * 2017-02-28 2021-09-16 三菱ケミカル株式会社 Gas diffusion layer for solid polymer fuel cell, gas diffusion electrode, and manufacturing method thereof
JP7031778B2 (en) 2017-02-28 2022-03-08 三菱ケミカル株式会社 Gas diffusion layer and gas diffusion electrode for polymer electrolyte fuel cells and their manufacturing method
WO2019107241A1 (en) 2017-11-29 2019-06-06 東レ株式会社 Micro-porous layer and manufacturing method therefor, gas diffusion electrode substrate, and fuel battery
KR20200092317A (en) 2017-11-29 2020-08-03 도레이 카부시키가이샤 Microporous layer and manufacturing method thereof, gas diffusion electrode base material, fuel cell
US11621426B2 (en) 2017-11-29 2023-04-04 Toray Industries, Inc. Micro-porous layer and manufacturing method therefor, gas diffusion electrode substrate, and fuel battery
CN111193040A (en) * 2020-01-09 2020-05-22 上海电气集团股份有限公司 Fuel cell gas diffusion layer, preparation method thereof and fuel cell

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