JP2010129380A - Gas diffusion electrode, and manufacturing method thereof - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料電池用のガス拡散電極及びその製造方法に係り、特に排水性を向上したガス拡散電極及びその製造方法に関する。 The present invention relates to a gas diffusion electrode for a fuel cell and a manufacturing method thereof, and more particularly to a gas diffusion electrode with improved drainage and a manufacturing method thereof.
燃料電池は、水素ガスなどの燃料ガスと酸素を有する酸化剤ガスとを電解質を介して電気化学的に反応させ、電解質両面に設けた電極間から電気エネルギーを直接取り出すものである。特に高分子電解質膜を用いた固体高分子型燃料電池は、動作温度が低く、取り扱いが容易なことから移動体用の電源として注目されている。 In a fuel cell, a fuel gas such as hydrogen gas and an oxygen-containing oxidant gas are electrochemically reacted through an electrolyte, and electric energy is directly taken out between electrodes provided on both surfaces of the electrolyte. In particular, a polymer electrolyte fuel cell using a polymer electrolyte membrane has attracted attention as a power source for a mobile body because of its low operating temperature and easy handling.
固体高分子型燃料電池は、水素イオン伝導性の高分子電解質膜の両面にそれぞれ白金等を含有する触媒層を有し、この触媒層に接して電子伝導性及び通気性を有するガス拡散層を有している。この触媒層及びガス拡散層が、それぞれ燃料極(以下、「アノード」又は「負極」ともいう。)及び酸化剤極(以下、「カソード」又は「正極」ともいう。)を構成している。そして、燃料極、酸化剤極の外側に、ガス供給溝が形成されたセパレータを各々設けて、これらの燃料極及び酸化剤極へセパレータのガス供給溝からそれぞれ水素を含む燃料ガス及び酸素を含む酸化剤ガスを供給することにより、以下の(1)式及び(2)式の電気化学反応により発電を行っている。 A polymer electrolyte fuel cell has a catalyst layer containing platinum or the like on both sides of a hydrogen ion conductive polymer electrolyte membrane, and a gas diffusion layer having electron conductivity and air permeability in contact with the catalyst layer. Have. The catalyst layer and the gas diffusion layer constitute a fuel electrode (hereinafter also referred to as “anode” or “negative electrode”) and an oxidant electrode (hereinafter also referred to as “cathode” or “positive electrode”), respectively. Then, separators having gas supply grooves are provided outside the fuel electrode and the oxidant electrode, respectively, and the fuel electrode and the oxidant electrode respectively include fuel gas containing hydrogen and oxygen from the gas supply groove of the separator. By supplying the oxidant gas, power is generated by the electrochemical reaction of the following formulas (1) and (2).
[燃料極反応]: H2 → 2H+ + 2e- …(1)
[酸化剤極反応]: 2H+ + 2e- + 1/2O2 → H2O …(2)
固体高分子型燃料電池において、顕著な発電性能の低下の原因としてフラッディング(水溢れ)現象がよく知られている。フラッディング現象は、発電反応による生成水の排出能力が不足し、主にカソードの水分過剰によりガス供給が阻害されて発電性能が低下する現象である。
[Fuel electrode reaction]: H 2 → 2H + + 2e − (1)
[Oxidant electrode reaction]: 2H + + 2e − + 1 / 2O 2 → H 2 O (2)
In a polymer electrolyte fuel cell, a flooding (water overflow) phenomenon is well known as a cause of a remarkable decrease in power generation performance. The flooding phenomenon is a phenomenon in which the ability to discharge generated water due to a power generation reaction is insufficient, and gas generation is hindered mainly due to excess water in the cathode, resulting in a decrease in power generation performance.
カソード触媒層の発電反応により生成した水は、流通ガス中に水蒸気として排出されたり、高分子電解質膜を透過してアノード側に排出されたりする。また、一部の生成水は液状でカソード側のガス拡散層を透過し、カソード側セパレータのガス供給溝内に排出される。したがって、フラッディング現象を防止するために、生成水が透過するガス拡散層について研究開発が行われている。 The water produced by the power generation reaction of the cathode catalyst layer is discharged as water vapor in the circulating gas, or is discharged to the anode side through the polymer electrolyte membrane. Part of the generated water is liquid and passes through the gas diffusion layer on the cathode side, and is discharged into the gas supply groove of the cathode side separator. Therefore, in order to prevent the flooding phenomenon, research and development have been conducted on a gas diffusion layer through which generated water permeates.
ガス拡散層に関して、ガス拡散層基材と、このガス拡散層基材上に形成された導電性被覆層とからなるガス拡散層が知られている。このような構造のガス拡散層では、気体状態及び液体状態の水ともに導電性被覆層を透過する際には、この導電性被覆層の厚みや空孔径分布等が関係する透過抵抗が発生する。通常は導電性被覆層が薄い方が透過抵抗は小さくなる。また、発電時は電子も導電性被覆層を透過するが、電子の透過抵抗は、導電性被覆層のバルク抵抗とガス拡散層基材や触媒層との界面接触抵抗によって形成される。通常は界面接触抵抗の影響が大きく、ガス拡散層基材とよりよく接触するために導電性被覆層は厚い方が抵抗は小さくなる。したがって、水の透過性等を勘案して優れた特性を有する導電性被覆層が求められている。 As for the gas diffusion layer, there is known a gas diffusion layer including a gas diffusion layer base material and a conductive coating layer formed on the gas diffusion layer base material. In the gas diffusion layer having such a structure, when both the gas state and the liquid state water pass through the conductive coating layer, a permeation resistance related to the thickness of the conductive coating layer, the pore diameter distribution, and the like is generated. Usually, the thinner the conductive coating layer, the smaller the transmission resistance. Further, during power generation, electrons also pass through the conductive coating layer, but the electron transmission resistance is formed by the bulk resistance of the conductive coating layer and the interface contact resistance between the gas diffusion layer substrate and the catalyst layer. Usually, the influence of interfacial contact resistance is large, and in order to make better contact with the gas diffusion layer base material, the thicker the conductive coating layer, the lower the resistance. Therefore, there is a demand for a conductive coating layer having excellent characteristics in consideration of water permeability and the like.
導電性被覆層を具備する従来技術のガス拡散電極に関し、ガス拡散層基材上に導電性被覆層の材料であるカーボンスラリーを直接塗工し、これによりカーボン粒子を含む導電性被覆層を形成させたガス拡散電極がある(特許文献1)。
しかしながら、特許文献1に記載の技術において、導電性被覆層を形成するためにその材料であるカーボンスラリーを直接塗工するガス拡散層基材の表面は、細孔形状や表面撥水性状が不均一である。したがって、このようなガス拡散層基材上に導電性被覆層の材料であるカーボンスラリーを直接塗工したときには、カーボンスラリーがガス拡散層基材へ厚み方向に浸透するその浸透量が、ガス拡散層基材の細孔分布や表面撥水性状及びスラリーインクの物性によって変化する。このため、浸透量が多いと水やガスの透過抵抗が高くなり発電性能が低下し、また、浸透量が少ないと電子の透過抵抗(界面接触抵抗)が高くなり発電性能が低下し、最適な浸透量にすることが難しかった。また、上記の浸透量は通常、スラリーインクの塗工状態によっても大きく変化するため制御が難しい。 However, in the technique described in Patent Document 1, the surface of the gas diffusion layer base material to which the carbon slurry as the material is directly applied in order to form the conductive coating layer has no pore shape or surface water repellency. It is uniform. Therefore, when carbon slurry, which is the material of the conductive coating layer, is directly applied on such a gas diffusion layer substrate, the amount of penetration of the carbon slurry into the gas diffusion layer substrate in the thickness direction is It varies depending on the pore distribution of the layer substrate, the surface water repellency and the physical properties of the slurry ink. For this reason, if the amount of permeation is large, the permeation resistance of water or gas increases and the power generation performance decreases. It was difficult to make the amount penetrated. Further, the above penetration amount is usually difficult to control because it greatly varies depending on the application state of the slurry ink.
以上の問題点を解決するために、本発明のガス拡散電極は、ガス拡散層基材と、このガス拡散層基材の表面から内部に浸透した浸透部及び当該表面上に形成された被覆部からなる導電性被覆層とを備え、この導電性被覆層の浸透部は、ガス拡散層基材の表面からの浸透厚さが所定の一定量になることを要旨とする。 In order to solve the above-described problems, the gas diffusion electrode of the present invention includes a gas diffusion layer base material, a permeation portion that penetrates from the surface of the gas diffusion layer base material, and a coating portion formed on the surface. The conductive coating layer is composed of the conductive coating layer, and the permeation portion of the conductive coating layer is characterized in that the permeation thickness from the surface of the gas diffusion layer base material is a predetermined amount.
また、本発明のガス拡散電極の製造方法は、上記のガス拡散電極を製造する方法であって、浸透部の材料を含む液を平板上で所定の一定厚さにした後、ガス拡散層基材及び平板の少なくとも一方を他方に向けて押圧し、浸透部の材料をこのガス拡散層基材の表面から所定の一定厚さで浸透させる工程を含むことを要旨とする。 The gas diffusion electrode manufacturing method of the present invention is a method for manufacturing the gas diffusion electrode described above, wherein after the liquid containing the material of the permeation portion has a predetermined constant thickness on the flat plate, The gist is to include a step of pressing at least one of the material and the flat plate toward the other and allowing the material of the permeation portion to permeate at a predetermined constant thickness from the surface of the gas diffusion layer base material.
本発明のガス拡散電極によれば、導電性多孔質基体に浸透させた導電性被覆層の浸透厚さを一定量にすることができるので、発電性能に最も好適な浸透量にすることができる。 According to the gas diffusion electrode of the present invention, the permeation thickness of the conductive coating layer permeated into the conductive porous substrate can be made constant, so that the most suitable permeation amount for power generation performance can be achieved. .
本発明のガス拡散電極の製造方法によれば、比較的簡単な工程で本発明に係るガス拡散電極を製造することができる。 According to the gas diffusion electrode manufacturing method of the present invention, the gas diffusion electrode according to the present invention can be manufactured by a relatively simple process.
図面を参照しつつ、本発明の実施形態に係るガス拡散電極を説明する。 A gas diffusion electrode according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
図1は、本発明の一実施形態に係るガス拡散電極を備えた固体高分子型の燃料電池セル1の模式断面図である。燃料電池セル1は、中心部に水素イオン伝導性を有する高分子電解質膜2を備えている。この高分子電解質膜2の一方の表面には燃料極触媒層3が、他方の表面には酸化剤極触媒層4がそれぞれ形成されている。この燃料極触媒層3の外側及び酸化剤極触媒層4の外側にはそれぞれ導電性被覆層5,6が、これらの触媒層に接して設けられている。
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of a polymer electrolyte fuel cell 1 having a gas diffusion electrode according to an embodiment of the present invention. The fuel cell 1 includes a
燃料極側の導電性被覆層5の外側には燃料極のガス拡散層基材7が、酸化剤側の導電性被覆層6の外側には酸化剤極のガス拡散層基材8が、それぞれ設けられている。
A gas diffusion layer base material 7 for the fuel electrode is provided outside the conductive coating layer 5 on the fuel electrode side, and a gas diffusion
燃料極側の導電性被覆層5とガス拡散層基材7とにより燃料極側のガス拡散層21が構成される。また、酸化剤側の導電性被覆層6と酸化剤極ガス拡散層基材8とにより酸化剤側のガス拡散層22が構成される。これらの燃料極側又は酸化剤側のガス拡散層21又はガス拡散層22が、本発明のガス拡散電極に相当する。また、上述した高分子電解質膜2の両面に触媒層3,4を形成したものは触媒塗布膜(CCM)30と呼ばれる。
The fuel electrode side
燃料極のガス拡散層基材7の外側には燃料極セパレータ9が、酸化剤極のガス拡散層基材8の外側には酸化剤極セパレータ10が、それぞれ設けられている。この燃料極セパレータ9には、燃料ガス供給用のガス流路溝11が形成され、酸化剤極セパレータ10には、酸化剤ガス供給用のガス流路溝12が形成されている。
A
酸化剤極セパレータ10の正面図を図2(a)に示し、この酸化剤極セパレータ10のX−X線視の断面図を図2(b)に示し、酸化剤極セパレータ10のY−Y線視の断面図を図2(c)に示す。図2(a)〜(c)に示されるように、酸化剤極セパレータ10はガス入口13、ガス入口側マニホールド14、ガス出口15、ガス出口側マニホールド16を備え、このガス入口側マニホールド14とガス出口側マニホールド16とを接続してガス流路溝12が形成されている。
A front view of the
図1において、燃料極側のガス拡散層21は、ガス拡散層基材7の表面上に、導電性被覆層5を塗布形成してなる。同様に、酸化剤極側のガス拡散層22は、ガス拡散層基材8の表面上に、導電性被覆層6を塗布形成してなる。この塗布時に、燃料極側及び酸化剤極側のいずれであっても、導電性被覆層5、6の材料の一部はガス拡散層基材7、8の表面からガス拡散層基材7、8の内部に浸透して導電性被覆層5、6の浸透部を形成し、導電性被覆層5、6の材料の残りは、ガス拡散層基材7、8の表面上に形成される。
In FIG. 1, the
このようにしてガス拡散層21、22の構成要素である導電性被覆層5、6は、ガス拡散層基材7、8の表面から内部に浸透した浸透部と、当該表面上に形成された被覆部からなる。そして、本実施形態のガス拡散電極は、この導電性被覆層5、6の浸透部は、ガス拡散層基材の表面からの浸透厚さが所定の一定量になる。これを図3を用いて説明する。
In this way, the
図3に、図1に示した固体高分子型の燃料電池セル1の模式断面図(図3(a))と、この燃料電池セル1における酸化剤極側のガス拡散層22及びこれらの近傍を模式的に示す拡大断面図(図3(b))を示す。なお、以下では、図3を用いて、代表的に酸化剤極側のガス拡散層22について説明するが、本発明のガス拡散電極は、燃料極側のガス拡散層21にも適用することもできる。
FIG. 3 is a schematic cross-sectional view (FIG. 3A) of the polymer electrolyte fuel cell 1 shown in FIG. 1, the
図3において、ガス拡散層基材8における触媒層4に対向する側の表面から、導電性被覆層6の材料が浸透することにより、浸透部6aが形成されている。また、この浸透層aを覆って、被覆部6bが形成されている。導電性被覆層6は、これらの浸透部6aと被覆部6bとからなる。そして、図示した本実施形態では、浸透部6aが、ガス拡散層基材8の表面の凹凸の最凸部からの浸透厚さが所定の一定量になっている。
In FIG. 3, the
本発明に従い、ガス拡散電極の導電性被覆層のうち、浸透部の浸透厚さが一定量であることによる作用効果について説明する。本発明のガス拡散電極によれば、導電性被覆層6のガス拡散層基材8への浸透部6aが一定量になっているため、水やガスの透過抵抗を考慮した適切な浸透厚さとすることができる。したがって、発電性能を向上させることができる。
In accordance with the present invention, a description will be given of the operational effect of the permeation portion having a constant permeation thickness in the conductive coating layer of the gas diffusion electrode. According to the gas diffusion electrode of the present invention, since the
また、導電性被覆層6の浸透部6aの形成を、被覆部6bの形成とは別の工程で行うことにより、先に形成された浸透部6aは、後に行う被覆部6bの形成時には、当該被覆部6bの材料がガス拡散層基材8の内部に浸透することを防止する役割を果たす。このため、導電性被覆層6は、浸透部6aに求められる機能と、被覆部6bに求められる機能とに応じて、それぞれ最適な特性(抵抗、ガス透過性、水透過性、熱透過性等)が得られるような、浸透部6a及び被覆部6bの構成とすることができる。したがって、発電特性をいっそう向上させることができる。
Further, by forming the
例えば、ガス拡散層22において、導電性被覆層6は一般に、細孔構造がガス拡散層基材8よりも小さく、通常はガスの透過性や水の透過性がガス拡散層基材8よりも劣るため、より薄膜化や大細孔化の構造が求められている。一方、この導電性被覆層6は、その低い水透過性等の特性を用いて触媒層4の加湿状態をコントロールする機能を有しており、一定の厚みが要求されている。この相反する要求特性を満たすため、被覆層の設計自由度を高めることが重要である。ここにおいて、本実施形態によれば、導電性被覆層6のガス拡散層基材8への浸透部6aと、被覆部6bを個別に設計できるようになるため、ガスや水の透過性を高めながら触媒層4を保湿するために必要な導電性被覆層6の構造と、電気抵抗を抑えるために必要な導電性被覆層6の構造とを、それぞれガス拡散層基材8への被覆部6bと浸透部6aで達成できるように個別設計ができるようになり。したがって、より高性能な燃料電池用電極接合体、更には高性能な燃料電池を提供できるようになる。
For example, in the
本発明に従う、ガス拡散層基材8への浸透厚さが一定量になる浸透部6aは、浸透部の材料を含む液を平板上で所定の一定厚さにした後、ガス拡散層基材及び平板の少なくとも一方を他方に向けて押圧し、浸透部の材料をこのガス拡散層基材の表面から所定の一定厚さで浸透させる工程によって好適に実現できる。これを図4を用いて説明する。
According to the present invention, the
図4は、導電性被覆層6の浸透部6aの作製要領の模式的な説明図である。まず、定盤41上に、撥水性膜42、例えばポリテトラフルオロエチレン膜を置き、この撥水性膜42上に浸透部6aの材料であるインクスラリー液膜43を形成する(図4(a))。撥水性膜42は、浸透部6aを形成後、この浸透部6aを撥水性膜42から容易に分離できるようにするために設けてある。仮に、撥水性膜42がなく、定盤41上に直接的にインクスラリー液膜43を形成して浸透部6aの作製した場合には、定盤41表面にこの浸透部6aが付着して剥がれ難い場合がある。
FIG. 4 is a schematic explanatory view of the manufacturing procedure of the
インクスラリー液膜43は、浸透部6aに導電性を付与するためのカーボン粒子と、撥水性を付与するためのフッ素樹脂(例えば、ポリテトラフルオロエチレン)とを含むスラリーである。インクスラリー液膜43の膜厚は、これから作製しようとする浸透部6aの浸透厚さに合わせた膜厚にする。この膜厚制御は、例えばナイフコータを用いてインクスラリー液膜43を撥水性膜42上に塗布することによって制御可能である。もっとも、膜厚制御は、ナイフコータに限定されるものではない。
The ink
次に、インクスラリー液膜43とは別途に多孔質のガス拡散層基材8、例えばカーボンペーパーを準備し、このガス拡散層基材8を、インクスラリー液膜43の上方からインクスラリー液膜43に向けて押圧する(図4(b))。インクスラリー液膜43は、ある程度の粘性があるため、ガス拡散層基材8を押圧することにより、所定の一定厚さを維持したままでインクスラリー液膜43がガス拡散層基材8内に浸透して浸透部6aを形成する。その後、ガス拡散層基材8を持ち上げて撥水性膜42から分離する(図4(c))。このような工程を、ガス拡散電極の製造工程の過程で行うことにより、本発明で所期した、一定量の浸透厚さの浸透部6aを有するガス拡散層基材8が得られる。
Next, a porous gas diffusion
この後に、被覆部6bを浸透部6a上に塗布形成することにより、ガス拡散層22が得られる。
Thereafter, the
なお、導電性被覆層6の浸透部6aの作製要領は、図4に示したものに限定されない。たとえば、工業的生産工程においては、浸透部の作製は、長尺のガス拡散層基材に対してロールコータによってスラリーインクを所定の厚さで浸透させることができる。
In addition, the preparation point of the permeation |
図3に示す本実施形態のガス拡散層22において、導電性被覆層6の浸透部6aの浸透厚さは、ガス拡散層基材8の表面粗度Rの75%に相当する厚さから、ガス拡散層基材8の厚さtの二分の一の厚さまでの範囲内であることが好ましい。浸透部6aでの接触抵抗を低減し、浸透部6aと被覆部でのガス・水透過性を向上させるからである。
In the
ガス拡散層基材8は多孔質であるために、その表面は平坦ではなく、所定の粗度を有している。導電性被覆層6の浸透部6aの浸透厚さが、ガス拡散層基材8の表面粗度Rの75%に相当する厚さに満たないと、表面の粗さの凸部のみに浸透部6aが形成されることになるので、接触抵抗低減に効果が出ない。また、導電性被覆層6の浸透部6aの浸透厚さがガス拡散層基材8の厚さの二分の一の厚さよりも厚い場合には、ガス拡散層基材8に含まれる浸透部6aの割合が多すぎて、ガス拡散層基材8としての機能を十分に果たすことが難しくなる。
Since the gas diffusion
また、導電性被覆層6の被覆部6bの厚さは、0〜150μmの範囲内であることが好ましい。被覆部6bは、本発明では必要に応じて省略することができ、このときの被覆部6bの厚さは0μmである。また、被覆部6bの厚さが150μmを超えると、ガスの透過性が低下する。したがって、本発明で所期した効果を得るには、0〜150μmの範囲とするのが望ましい。
Moreover, it is preferable that the thickness of the coating |
本実施形態のガス拡散層22は、導電性被覆層6の浸透部6aの平均空孔率が、被覆部6bの平均空孔率よりも高いような構成とすることが好ましい。このような構成により、被覆部6bからの液状水の排出性を向上させることができ、これによりガスの透過パスを確保してガス透過性を向上させることができるからである。このような浸透部6aと被覆部6bとの空孔率の調整は、浸透部6aを図4に示す工程により作製するときのインクスラリー中に含まれる固形分の調整、より具体的には固形分を被覆部よりも少なくすることにより行うことが可能である。
The
次に、本発明の別の実施形態のガス拡散電極を図5を用いて説明する。図5は、本実施形態のガス拡散層22を用いた高分子型の燃料電池セル1の模式断面図(図5(a))と、この燃料電池セル1における酸化剤極側のガス拡散層22及びこれらの近傍を模式的に示す拡大断面図(図5(b))である。なお、図5は、図1〜図4と同一の部材については同一の符号を付しているから、以下では、それらの部材について既に説明したのと重複する説明は省略する。
Next, a gas diffusion electrode according to another embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 5 is a schematic cross-sectional view (FIG. 5A) of the polymer fuel cell 1 using the
図5に示した本実施形態では、導電性被覆層6は、浸透部6aを有するものの、被覆部は有していない。しかし、この被覆部を有することもできる。そして本実施形態では、導電性被覆層6の浸透部6aの空孔率が、この浸透部に浸透させる材料中に含まれる導電性粒子単体の空孔率よりも高い構成となっている。このことは、図5(c)に浸透部6aの模式的な拡大図を示すように、浸透部6aにおいてインクスラリーが浸透されたガス拡散層基材8の骨格をなすカーボン繊維61に、インクスラリーに含まれる導電性粒子62(カーボン粒子)が付着している形態をとることによって可能となる。このような形態による空孔率は、基本的には、ガス拡散層基材8の骨格をなすカーボン繊維による空孔率になるから、導電性粒子同士の積み重なりにより形成される空孔率よりも空孔率が高い。このことにより、本実施形態のガス拡散電極は、浸透部6aの空孔率を高くし、ガスや液水の排出特性を向上させることができる。そして、上記の形態は、浸透部の作製に当たって、低固形分のインクスラリーを浸透部に導入する等し、乾燥することにより実現することができる。乾燥後は導入された導電性粒子62がガス拡散層基材8の繊維61の骨格に保持された構造となり、よってガス拡散層基材8の繊維61の骨格由来の空孔分布を有することにより、浸透部6aの空孔率が高くなる。
In the present embodiment shown in FIG. 5, the
また、本発明の別の実施形態に係るガス拡散電極においては、導電性被覆層6の浸透部6aの撥水性が、被覆部6bの撥水性よりも低い構成とすることもできる。このような構成は、ガス拡散電極の製造時において、浸透部6aに浸透させるインクスラリーと、被覆部6bに被覆させるインクスラリーの成分組成を変えることによって実現できる。例えば、浸透部6aに浸透させるインクスラリーを、被覆部6bに被覆させるインクスラリーよりも、カーボンインク中に含まれるポリテトラフルオロエチレンの量を相対的に減らし、カーボン粒子の量を相対的に増やせばよい。本実施形態のガス拡散電極によれば、被覆部6bからの液状水の排出性を向上させることにより、ガスの透過パスを確保しガス透過性を向上させることができる。
Further, in the gas diffusion electrode according to another embodiment of the present invention, the water repellency of the
次に図6を用いて本発明の別の実施形態のガス拡散電極を説明する。図6は、本実施形態に係るガス拡散電極を用いた固体高分子型の燃料電池セル1の模式断面図(図6(a))と、この燃料電池セル1における酸化剤極側のガス拡散層22及びこれらの近傍を模式的に示す拡大断面図(図6(b))である。なお、図6は、図1〜図4と同一の部材については同一の符号を付しているから、以下では、それらの部材について既に説明したのと重複する説明は省略する。
Next, a gas diffusion electrode according to another embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 6 is a schematic cross-sectional view (FIG. 6A) of a polymer electrolyte fuel cell 1 using the gas diffusion electrode according to the present embodiment, and gas diffusion on the oxidant electrode side in the fuel cell 1. It is an expanded sectional view (Drawing 6 (b)) showing typically
図6に示した本実施形態では、導電性被覆層6を、ガス拡散層基材8における触媒層に向かう側の表面のみならず、セパレータ10に向かう側の表面にも備えている。具体的にセパレータ10側には、ガス拡散層基材8の表面から内部に浸透した浸透部6cと、このガス拡散層基材8の表面上に形成された被覆部6dとからなる導電性被覆層6を備えている。この浸透部6c及び被覆部6dは、これまで述べた浸透部6a及び被覆部6bと同じ構成とすることができる。そして本実施形態のガス拡散電極は、このような導電性被覆層6をセパレータ10に向かう側に具備していることにより、セパレータ10とガス拡散層基材8とのの接触抵抗を低減させることができ、よって電池の発電特性を向上させることができる。なお、図6では酸化剤極のガス拡散電極について説明したが、本発明では、燃料極のガス拡散電極においても図6に示した本実施形態の構成とすることができる。
In this embodiment shown in FIG. 6, the
図6に示した本実施形態のガス拡散電極においては、セパレータ10に向かう側の導電性被覆層6は、浸透部6cの厚さが10〜50μm、被覆部6dの厚さが0〜20μm(0μmとは、被覆部6dを省略した場合を意味する。)の範囲内であることが好ましい。これらの範囲内とすることにより、セパレータ10とガス拡散層基材8との接触抵抗を低減させながら、ガス・水の透過性を確保することができる。
In the gas diffusion electrode of the present embodiment shown in FIG. 6, the
次に、図7を用いて本発明の別の実施形態のガス拡散電極を説明する。図7は、本実施形態に係るガス拡散電極の模式断面図である。なお、図7は、図1〜図4と同一の部材については同一の符号を付しているから、以下では、それらの部材について既に説明したのと重複する説明は省略する。 Next, a gas diffusion electrode according to another embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 7 is a schematic cross-sectional view of a gas diffusion electrode according to this embodiment. In FIG. 7, the same members as those in FIGS. 1 to 4 are denoted by the same reference numerals, and therefore, the description overlapping with those already described is omitted below.
図7に示した本実施形態では、触媒層に向かう側の被覆部が、特性の異なる複数の層からなり、より具体的には、浸透部6aに接して形成された被覆部6bと、この被覆部6bに接して形成された被覆部6eとの2層からなっている。なお、本発明では図示した被覆部が2層の例に限定されず、3層以上の構成であってもよい。このように、被覆部が特性の異なる複数の層からなることにより、被覆部からの液状水の排出性を、更に向上させることができる。これによりガスの透過パスを確保しガス透過性を更に向上させることが可能となる。
In the present embodiment shown in FIG. 7, the coating portion on the side facing the catalyst layer is composed of a plurality of layers having different characteristics, more specifically, a
図7に示した本実施形態においては、複数層からなる被覆部は、ガス拡散層基材8より遠い側から近い側に向けて、各層の空孔率が段階的に大きくなる構成とすることができる。図7の例では、被覆部6eの空孔率よりも被覆部6bの空孔率が大きい構成とする。このような構成により、被覆部からの液状水の排出性を向上させることができ、これによりガスの透過パスを確保しガス透過性を向上させることが可能となる。
In the present embodiment shown in FIG. 7, the covering portion composed of a plurality of layers is configured such that the porosity of each layer increases stepwise from the side farther from the gas diffusion
図7に示した本実施形態においては、複数層からなる被覆部は、ガス拡散層基材8より遠い側から近い側に向けて、各層の撥水性が段階的に小さくなる構成とすることもできる。図7の例では、被覆部6eの撥水性よりも被覆部6bの撥水性が小さい構成とする。このような構成により、被覆部からの液状水の排出性を向上させることができ、これによりガスの透過パスを確保しガス透過性を向上させることが可能となる。
In the present embodiment shown in FIG. 7, the covering portion composed of a plurality of layers may be configured such that the water repellency of each layer decreases stepwise from the side farther from the gas
次に、本発明のガス拡散電極の製造方法について説明する。本発明のガス拡散電極の製造方法においては、浸透部の材料を含む液を平板上で所定の一定厚さにした後、ガス拡散層基材及び平板の少なくとも一方を他方に向けて押圧し、浸透部の材料をこのガス拡散層基材の表面から所定の一定厚さで浸透させる工程を含むことができる。かかる工程の一例は、図4を用いて先に説明したとおりである。 Next, the manufacturing method of the gas diffusion electrode of this invention is demonstrated. In the gas diffusion electrode manufacturing method of the present invention, after the liquid containing the material of the permeation portion has a predetermined constant thickness on the flat plate, at least one of the gas diffusion layer substrate and the flat plate is pressed toward the other, A step of permeating the material of the permeation portion with a predetermined constant thickness from the surface of the gas diffusion layer base material can be included. An example of such a process is as described above with reference to FIG.
図4のガス拡散電極の導電性被覆層を形成するために用いられるインクスラリーの製造工程の一例のフロー図を、図8を用いて説明する。まず界面活性剤水溶液を調合して準備する(ステップS11)。次に、この界面活性剤水溶液に、導電性粒子としてのカーボン粒子を混合する(ステップS12)。次に、混合後の液を粉砕してカーボン粒子を微細化する(ステップS13)。粉砕後に、撥水材としてポリテトラフルオロエチレン(PTFE)を混合する(ステップS14)。次に、希釈水及び増粘剤を添加して混合し、インクスラリーを得る(ステップS15)。 A flow chart of an example of the manufacturing process of the ink slurry used for forming the conductive coating layer of the gas diffusion electrode of FIG. 4 will be described with reference to FIG. First, an aqueous surfactant solution is prepared and prepared (step S11). Next, carbon particles as conductive particles are mixed in this surfactant aqueous solution (step S12). Next, the mixed liquid is pulverized to refine the carbon particles (step S13). After pulverization, polytetrafluoroethylene (PTFE) is mixed as a water repellent material (step S14). Next, dilution water and a thickening agent are added and mixed to obtain an ink slurry (step S15).
図8の各ステップを経て得られたインクスラリーを用いた、ガス拡散電極の製造工程の一例のフロー図を図9に示す。図9において、まず、ガス拡散層基材の材料から、ガス拡散層基材として必要なサイズに切り出し、洗浄してガス拡散層基材8を用意する(ステップS21)。次に、図4(a)に示すように、定盤41上に浸透部用のインクスラリー液膜43を所定の厚さで形成する(塗工する)(ステップS21)。次に、浸透部塗工インクを転写することにより、図4(b)に示すように、ガス拡散層基材8に、浸透部用のインクスラリーを浸透させる(ステップS23)。次に、一次乾燥・焼成を行って浸透部6aに浸透したインクスラリー中のカーボン粒子をガス拡散層基材8のカーボン繊維に付着させる(ステップS24)。次に、焼成して浸透部6aが形成されたガス拡散層基材8の浸透部6a上に、被覆部のインクを塗工する(ステップS25)。この被覆部インクは、浸透部インクと同じ材料成分組成であってもよいし、別の材料成分組成であってもよい。被覆部のインクの塗工は、従来公知の方法を用いて行うことができる。次に、被覆部のインクが表面上に形成されたガス拡散層基材8を二次乾燥・焼成して被覆部のカーボン粒子を固着させる(ステップS26)。このようにして得られたガス拡散層(GDL)について、所定のサイズするための切断を行う(ステップS27)。以上の工程を経てガス拡散電極を完成させる。
FIG. 9 shows a flow chart of an example of the manufacturing process of the gas diffusion electrode using the ink slurry obtained through each step of FIG. In FIG. 9, first, the gas diffusion
以下、本発明に従うガス拡散電極の実施例を述べる。 Examples of gas diffusion electrodes according to the present invention will be described below.
1.ガス拡散層基材(カーボンペーパー)の作製(ステップS21)
(ガス拡散電極材料の準備)
東レ社製カーボンペーパーTGP-H-060を10cm角に切り出した後、エタノール中に浸漬し超音波洗浄装置に投入し、洗浄処理した。洗浄後、80℃の乾燥炉中に投入し、約10分乾燥した。
1. Production of gas diffusion layer base material (carbon paper) (step S21)
(Preparation of gas diffusion electrode material)
Carbon paper TGP-H-060 manufactured by Toray Industries, Inc. was cut into a 10 cm square, immersed in ethanol, put into an ultrasonic cleaning device, and cleaned. After washing, it was put into a drying oven at 80 ° C. and dried for about 10 minutes.
2.導電性被覆層の作製(ステップS11〜15)
(インクスラリーの準備)
界面活性剤としてダウケミカル社製 Triton X-100 2gと、純水200gを混合し、プロペラ攪拌装置にて150rpm、30分の攪拌処理を行った後、上記界面活性剤分散水溶液にCabot社製Vulcan XC-72Rカーボンブラック 20gを投入混合し、プロペラ攪拌装置にて150rpm、30分の攪拌処理を行った。上記インクスラリーをジェットミルを用いて粉砕処理を行い、カーボン平均粒径が1μmとなった。上記インクスラリーに、ダイキン工業製Polyflon D-1E 8gを投入混合し、プロペラ攪拌装置にて150rpm、30分の攪拌処理を行った後、希釈用純水及び増粘剤を適量投入攪拌し、塗着用インクスラリーとした。
2. Preparation of conductive coating layer (steps S11-15)
(Preparation of ink slurry)
As a surfactant, 2 g of Triton X-100 manufactured by Dow Chemical Co., Ltd. and 200 g of pure water were mixed and stirred at 150 rpm for 30 minutes with a propeller stirrer. 20 g of XC-72R carbon black was added and mixed, and the mixture was stirred with a propeller stirrer at 150 rpm for 30 minutes. The ink slurry was pulverized using a jet mill, and the carbon average particle size became 1 μm. 8 g of Polyflon D-1E manufactured by Daikin Industries is added to the ink slurry and mixed with a propeller stirrer at 150 rpm for 30 minutes. It was set as the wearing ink slurry.
3.ガス拡散電極の作製(ステップS22〜27)
(浸透部インク塗着)
定盤上に置いたPTFEシート上に、上述したインクスラリーの準備で得られたインクスラリーを50μm厚となるよう塗工した後、上述したガス拡散層基材(カーボンペーパー)を塗工スラリー上にセットし加圧後乾燥させた。PTFEシートを取り除いた後、350℃、30分の焼成処理を行った。
3. Production of gas diffusion electrode (steps S22 to S27)
(Penetration part ink application)
On the PTFE sheet placed on the surface plate, after coating the ink slurry obtained in the ink slurry preparation described above to a thickness of 50 μm, the above-described gas diffusion layer base material (carbon paper) is applied onto the coating slurry. And then dried after pressurization. After removing the PTFE sheet, baking treatment was performed at 350 ° C. for 30 minutes.
(被覆部インク塗着)
上記浸透部インク塗着で得られたカーボンペーパーの浸透部カーボン層形成上に、上述したインクスラリーの準備で得られたインクスラリーを50μm厚となるよう塗工した後、乾燥させ、再び350℃、30分の焼成処理を行った。
(Coating part ink application)
After the ink slurry obtained in the preparation of the ink slurry described above was applied to have a thickness of 50 μm on the carbon layer formation of the carbon paper obtained by the above-described penetration part ink coating, it was dried and again 350 ° C. The baking process for 30 minutes was performed.
(ガス拡散電極の切断)
上記被覆部インク塗着で得られたカーボン層付カーボンペーパーを所定のサイズに切り出し、ガス拡散電極とした。
(Cutting gas diffusion electrode)
The carbon paper with a carbon layer obtained by the coating portion ink application was cut into a predetermined size to obtain a gas diffusion electrode.
4.CCMの試作
(触媒の試作)
ケッチェン・ブラック・インターナショナル社製カーボンブラック ケッチェンブラックEC4gにジニトロジアンミン白金水溶液(Pt濃度1%)400gを加えて1時間攪拌した。更に、還元剤としてメタノール50gを混合し、1時間攪拌した。その後、30分で80℃まで加温し、そのまま6時間攪拌した後、1時間で室温まで降温させた。沈殿物を濾過した後、得られた固形物を減圧下85℃において12時間乾燥し、乳鉢で粉砕し、電極触媒(Pt粒子の平均粒径2.6nm、Pt担持濃度50質量%)を得た。
4). CCM prototype (catalyst prototype)
Carbon black manufactured by Ketjen Black International Co., Ltd. 400 g of dinitrodiammine platinum aqueous solution (Pt concentration 1%) was added to 4 g of Ketjen Black EC and stirred for 1 hour. Further, 50 g of methanol as a reducing agent was mixed and stirred for 1 hour. Thereafter, the mixture was heated to 80 ° C. in 30 minutes, stirred for 6 hours as it was, and then cooled to room temperature in 1 hour. After filtering the precipitate, the obtained solid was dried under reduced pressure at 85 ° C. for 12 hours and pulverized in a mortar to obtain an electrode catalyst (average particle diameter of Pt particles 2.6 nm, Pt support concentration 50% by mass). It was.
(触媒層の作製準備)
上記触媒の試作で得られた電極触媒の質量に対して、5倍量の精製水を加え、減圧脱泡操作を5分間加えた。これに、0.5倍量のn−プロピルアルコールを加え、DuPont社製 20%Nafionを加えた(電極触媒層中のカーボン質量に対するプロトン伝導性高分子電解質固形分質量比が0.9とした)。得られた混合スラリーを超音波ホモジナイザーでよく分散させ、減圧脱泡操作を加えることによって触媒スラリーを作製した。これをポリテトラフルオロエチレンシートの片面にスクリーン印刷法によって、所望の厚さに応じた量の触媒スラリーを印刷し、60℃で24時間乾燥させた。形成される触媒層のサイズは、5cm×5cmとした。また、ポリテトラフルオロエチレンシート上の塗布層は、Pt量が0.2mg/cm2(アノード触媒層の平均厚みは6μm)となるように調整した。
(Preparation of catalyst layer preparation)
Five times the amount of purified water was added to the mass of the electrode catalyst obtained in the trial production of the catalyst, and a vacuum degassing operation was added for 5 minutes. To this, 0.5 times the amount of n-propyl alcohol was added, and 20% Nafion made by DuPont was added (the proton conductive polymer electrolyte solid mass ratio to the carbon mass in the electrode catalyst layer was set to 0.9). The obtained mixed slurry was well dispersed with an ultrasonic homogenizer, and a catalyst slurry was prepared by applying a vacuum degassing operation. An amount of the catalyst slurry corresponding to the desired thickness was printed on one side of the polytetrafluoroethylene sheet by screen printing and dried at 60 ° C. for 24 hours. The size of the formed catalyst layer was 5 cm × 5 cm. Further, the coating layer on the polytetrafluoroethylene sheet was adjusted so that the Pt amount was 0.2 mg / cm 2 (the average thickness of the anode catalyst layer was 6 μm).
(CCMの試作)
固体高分子電解質膜としてDuPont社製 Nafion NRE211(膜厚25μm)と、先に作製したポリテトラフルオロエチレンシート上に形成された電極触媒層とを重ね合わせた。その際には、アノード触媒層、固体高分子電解質膜、カソード触媒層を、この順序で積層させた。その後、130℃、2.0MPaで、10分間ホットプレスし、ポリテトラフルオロエチレンシートのみを剥がしてCCMを得た。
(CCM prototype)
As a solid polymer electrolyte membrane, DuPont Nafion NRE211 (film thickness 25 μm) and an electrode catalyst layer formed on the previously prepared polytetrafluoroethylene sheet were superposed. At that time, the anode catalyst layer, the solid polymer electrolyte membrane, and the cathode catalyst layer were laminated in this order. Thereafter, hot pressing was performed at 130 ° C. and 2.0 MPa for 10 minutes, and only the polytetrafluoroethylene sheet was peeled off to obtain CCM.
5.MEAの評価
(MEAの評価)
上記のガス拡散電極と上記のCCMとを接合したMEAを用いて燃料電池単セルを組立て、大気圧、アノード極に水素ガス/カソード極に空気を導入し、セル温度70℃、負荷電流密度1A/cm2で12時間エージング処理を行った後、セルの発電性能評価を行った。
5. MEA evaluation (MEA evaluation)
A fuel cell single cell is assembled using MEA in which the above gas diffusion electrode and the above CCM are joined. Atmospheric pressure, hydrogen gas is introduced into the anode electrode / air is introduced into the cathode electrode, the cell temperature is 70 ° C., and the load current density is 1 A. After performing an aging treatment at / cm2 for 12 hours, the power generation performance of the cell was evaluated.
セルの発電性能評価結果を図10に示す。図10では、比較例としてガス拡散電極の浸透部について本発明と同じインクスラリーをガス拡散層基材上に直接塗工したものについての評価を併せて示している。この図10から、実施例は、比較例と比べて、高加湿条件においても低加湿条件においても、発電特性が大幅に性能向上していた。 FIG. 10 shows the results of evaluating the power generation performance of the cell. In FIG. 10, the evaluation about what applied the ink slurry same as this invention directly on the gas diffusion layer base material about the osmosis | permeation part of a gas diffusion electrode as a comparative example is shown collectively. From FIG. 10, the power generation characteristics of the example greatly improved in both the high humidification condition and the low humidification condition as compared with the comparative example.
以上、本発明者らによってなされた発明を適用した実施の形態について説明したが、この実施の形態による本発明の開示の一部をなす論述及び図面により本発明は限定されることはない。すなわち、上記実施の形態に基づいて当業者等によりなされる他の実施の形態、実施例及び運用技術等は全て本発明の範疇に含まれることは勿論であることを付加しておく。 As mentioned above, although the embodiment to which the invention made by the present inventors was applied has been described, the present invention is not limited by the description and the drawings that form part of the disclosure of the present invention according to this embodiment. That is, it should be added that other embodiments, examples, operation techniques, and the like made by those skilled in the art based on the above embodiments are all included in the scope of the present invention.
1 燃料電池セル
2 高分子電解質膜
3 燃料極触媒層
4 酸化剤極触媒層
5 導電性多孔質層
6 導電性多孔質層
6a 浸透部
6b 被覆部
7 燃料極ガス拡散層基材
8 酸化剤極ガス拡散層基材
9 燃料極セパレータ
10 酸化剤極セパレータ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1
Claims (11)
このガス拡散層基材の表面から内部に浸透した浸透部及び当該表面上に形成された被覆部からなる導電性被覆層と
を備え、
この導電性被覆層の浸透部は、ガス拡散層基材の表面からの浸透厚さが所定の一定量になることを特徴とするガス拡散電極。 A gas diffusion layer substrate;
A conductive coating layer comprising a permeation portion that has penetrated from the surface of the gas diffusion layer base material and a coating portion formed on the surface;
The gas diffusion electrode, wherein the permeation portion of the conductive coating layer has a predetermined amount of permeation thickness from the surface of the gas diffusion layer base material.
前記導電性被覆層の被覆部の厚さが0〜150μmの範囲内であることを特徴とする請求項1に記載のガス拡散電極。 The penetration thickness of the penetration portion of the conductive coating layer ranges from a thickness corresponding to 75% of the surface roughness of the gas diffusion layer base material to a half thickness of the gas diffusion layer base material. Within
2. The gas diffusion electrode according to claim 1, wherein a thickness of a covering portion of the conductive coating layer is in a range of 0 to 150 μm.
浸透部の材料を含む液を平板上で所定の一定厚さにした後、ガス拡散層基材及び平板の少なくとも一方を他方に向けて押圧し、浸透部の材料をこのガス拡散層基材の表面から所定の一定厚さで浸透させる工程を含むことを特徴とするガス拡散電極の製造方法。 A method for producing the gas diffusion electrode according to claim 1, comprising:
After the liquid containing the material of the permeation portion has a predetermined constant thickness on the flat plate, at least one of the gas diffusion layer base and the flat plate is pressed toward the other, and the material of the permeation portion is changed to the gas diffusion layer base. A method for producing a gas diffusion electrode, comprising a step of permeating at a predetermined constant thickness from a surface.
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JP2011216375A (en) * | 2010-03-31 | 2011-10-27 | Eneos Celltech Co Ltd | Membrane-electrode assembly and fuel cell |
JP2014063730A (en) * | 2012-08-31 | 2014-04-10 | Mitsubishi Rayon Co Ltd | Porous carbon electrode and method for manufacturing the same |
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2008
- 2008-11-27 JP JP2008302933A patent/JP2010129380A/en active Pending
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