JP2011076739A - Gas diffusion layer for solid polymer fuel cell, and manufacturing method thereof - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、固体高分子形燃料電池の電極に用いられるガス拡散層およびその製造方法に関する。 The present invention relates to a gas diffusion layer used for an electrode of a polymer electrolyte fuel cell and a method for producing the same.
固体高分子形燃料電池(Polymer Electrolyte Fuel Cell、以下、「PEFC」という。)は、固体高分子膜を電解質として、水素などの燃料をアノード電極(正極、以下、「アノード」という。)に、空気(正確には空気中の酸素)などの酸化剤ガスをカソード電極(負極、以下、「カソード」という。)にそれぞれ供給して、電気化学反応を起こさせることによって電力を発生させる装置である。PEFCにおける電池の最小単位である単位電池(以下、「単セル」という。)は、固体高分子膜の両面に電極(アノードおよびカソード)が接合された膜、つまり、電極接合体(Membrane Electrode Assembly、以下、「MEA」という。)を、ガス流路が形成されたセパレータで挟持して構成されている。この単セルを積層してPEFCのセルスタックを構成する。 A polymer electrolyte fuel cell (hereinafter referred to as “PEFC”) uses a solid polymer membrane as an electrolyte and a fuel such as hydrogen as an anode electrode (positive electrode, hereinafter referred to as “anode”). It is a device that generates electricity by supplying an oxidant gas such as air (exactly oxygen in the air) to the cathode electrode (negative electrode, hereinafter referred to as “cathode”) to cause an electrochemical reaction. . A unit cell (hereinafter referred to as “single cell”), which is the smallest unit of a battery in PEFC, is a membrane in which electrodes (anode and cathode) are bonded to both sides of a solid polymer membrane, that is, an electrode assembly (Membrane Electrode Assembly). , Hereinafter referred to as “MEA”) is sandwiched between separators in which gas flow paths are formed. These single cells are stacked to form a PEFC cell stack.
PEFCのアノードおよびカソードは、ガス拡散層と触媒層とを備える。ガス拡散層は、触媒層と、セパレータとに、直接接しており、電気を通す機能や化学反応に必要な空気と水素を効率よく導く機能を持っている。また、ガス拡散層において、カーボーンペーパーなどの基材層には、電流密度の均一化と撥水性の向上のために、炭素質材料と撥水性の樹脂とからなる中間層が備えられている。 The anode and cathode of the PEFC include a gas diffusion layer and a catalyst layer. The gas diffusion layer is in direct contact with the catalyst layer and the separator, and has a function of conducting electricity and a function of efficiently guiding air and hydrogen necessary for a chemical reaction. Further, in the gas diffusion layer, a base material layer such as carbon paper is provided with an intermediate layer made of a carbonaceous material and a water-repellent resin in order to make the current density uniform and improve the water repellency.
このようなガス拡散層およびその製造方法として、例えば、特許文献1では、基材層上に中間層を形成した後に焼成する方法が開示されている。
As such a gas diffusion layer and a manufacturing method thereof, for example,
このガス拡散層では、撥水性が不十分なために、フラッディングによるPEFCの耐久性能の低下が起こる。フラッディングとは、水分がガス拡散層内に生成され、この水分により空気や水素などのガスをガス拡散層全体に行き渡るのを妨げる現象をいう。 In this gas diffusion layer, since the water repellency is insufficient, the durability performance of the PEFC is reduced due to flooding. The flooding is a phenomenon in which moisture is generated in the gas diffusion layer, and this moisture prevents a gas such as air or hydrogen from reaching the entire gas diffusion layer.
このフラッディングを抑える方法として、例えば、特許文献2では、基材上に撥水性を有する樹脂を主成分とする第1の層と、第1の層よりも撥水性の低い樹脂を主成分とする第2の層とをガス拡散層に備えたものが開示されている。
As a method for suppressing this flooding, for example, in
しかしながら、特許文献2で示されたガス拡散層は、第1の層の撥水性が不十分であるためフラッディングによるPEFCの耐久性が低下しやすく、また、第1の層と基材との結着性が不十分であるために第1の層および第2の層が剥離しやすく、その結果、電流密度が不均一化となり、セル電圧の低下が起こりやすいという問題点があった。そして、撥水性および結着性を向上させるために、第1の層の樹脂(撥水性樹脂層)の割合を増大させると、内部抵抗の上昇によってセル電圧が低下するという問題点があった。
However, in the gas diffusion layer shown in
本発明は、主として上記のようなPEFCの耐久性能の問題を、セル電圧を低下させることなく解決しようとするものであり、内部抵抗を増大させることなく、撥水性を向上させた固体高分子形燃料電池の電極に用いられるガス拡散層およびその製造方法を提供することを課題とする。 The present invention is mainly intended to solve the above-mentioned problem of durability performance of PEFC without lowering the cell voltage, and the solid polymer type with improved water repellency without increasing the internal resistance. It is an object of the present invention to provide a gas diffusion layer used for an electrode of a fuel cell and a manufacturing method thereof.
第1の発明に係る固体高分子形燃料電池の電極に用いられるガス拡散層は、炭素繊維を含む基材層、フッ素樹脂を含む樹脂層、および炭素粉末とフッ素樹脂とを含む中間層がこの順で配置される。そして、樹脂層のフッ素樹脂に対する炭素粉末の割合が、中間層のフッ素樹脂に対する炭素粉末の割合より低いこと、および、基材層に含まれる炭素繊維が樹脂層を貫通して前記中間層と接することを特徴とする。 The gas diffusion layer used for the electrode of the polymer electrolyte fuel cell according to the first invention includes a base material layer containing carbon fiber, a resin layer containing fluororesin, and an intermediate layer containing carbon powder and fluororesin. Arranged in order. And the ratio of the carbon powder with respect to the fluororesin of a resin layer is lower than the ratio of the carbon powder with respect to the fluororesin of an intermediate | middle layer, and the carbon fiber contained in a base material layer penetrates a resin layer, and contacts the said intermediate | middle layer It is characterized by that.
第1の発明に係るガス拡散層では、中間層よりもフッ素樹脂を多く含む樹脂層を設けることで、撥水性を向上させることができる。そして、電導性のある各層の炭素粉末と、樹脂層を貫通して中間層に接する基材層に含まれる炭素繊維とが、電流パスを形成するため、電気抵抗は、樹脂層を設けない従来のガス拡散層と比べても増大しない。 In the gas diffusion layer according to the first invention, the water repellency can be improved by providing a resin layer containing more fluorine resin than the intermediate layer. And since the carbon powder of each conductive layer and the carbon fiber contained in the base material layer that penetrates the resin layer and contacts the intermediate layer form a current path, the electrical resistance is not provided with the resin layer. It does not increase even when compared with other gas diffusion layers.
第2の発明に係るガス拡散層は、第1の発明に係るガス拡散層において、中間層のフッ素樹脂に対する炭素粉末の質量の割合が20質量%以上900質量%以下であることを特徴とする。 A gas diffusion layer according to a second invention is characterized in that, in the gas diffusion layer according to the first invention, the ratio of the mass of the carbon powder to the fluororesin of the intermediate layer is 20 mass% or more and 900 mass% or less. .
樹脂層または中間層のフッ素樹脂に対する炭素粉末の割合を増大させると電導性が向上し、反対に、その炭素粉末の割合を減少させると撥水性が向上する。ここで、フッ素樹脂に対する炭素粉末の質量の割合において、20質量%とは、フッ素樹脂と炭素粉末との質量の比が1:0.2を、900質量%とは、フッ素樹脂と炭素粉末との質量の比が1:9を、25質量%とは、フッ素樹脂と炭素粉末との質量の比が1:0.25をそれぞれ意味する。なお、炭素と樹脂との表面積を規定することが難しいので、炭素と樹脂との質量の割合で規定した。 Increasing the proportion of the carbon powder relative to the fluororesin of the resin layer or intermediate layer improves the conductivity, and conversely, decreasing the proportion of the carbon powder improves the water repellency. Here, in the ratio of the mass of the carbon powder to the fluororesin, 20% by mass is a mass ratio of the fluororesin and the carbon powder of 1: 0.2, and 900% by mass is the fluororesin and the carbon powder. The mass ratio of 1: 9 means 25% by mass means that the mass ratio of the fluororesin and the carbon powder is 1: 0.25. In addition, since it was difficult to prescribe | regulate the surface area of carbon and resin, it prescribed | regulated by the ratio of the mass of carbon and resin.
第2の発明に係るガス拡散層では、樹脂層または中間層のフッ素樹脂に対する炭素粉末の割合を上記のように規定することで、樹脂層では撥水性を高め、中間層では樹脂層よりも撥水性が劣るが電気抵抗を少なくし、その結果、電気抵抗を増大させることなく撥水性の高いガス拡散層を得ることができる。 In the gas diffusion layer according to the second invention, by defining the ratio of the carbon powder to the fluororesin of the resin layer or the intermediate layer as described above, the water repellency is enhanced in the resin layer, and the intermediate layer is more repellent than the resin layer. Although the water resistance is inferior, the electric resistance is reduced, and as a result, a gas diffusion layer having high water repellency can be obtained without increasing the electric resistance.
第3の発明に係るガス拡散層は、第1の発明または第2の発明に係るガス拡散層において、樹脂層および中間層のフッ素樹脂が、四フッ化エチレン−六フッ化プロピレン共重合体(以下、「FEP」という。)を含むことを特徴とする。 The gas diffusion layer according to the third invention is the gas diffusion layer according to the first invention or the second invention, wherein the fluororesin of the resin layer and the intermediate layer is a tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer ( Hereinafter, it is referred to as “FEP”).
第3の発明に係るガス拡散層では、第1の発明または第2の発明に係るガス拡散層において、樹脂層および中間層のフッ素樹脂を、従来のフッ素樹脂の中で撥水性と結着性とが優れたFEPとすることで、基材層と樹脂層との結着性と樹脂層と中間層との結着性を高め、ガス拡散層の撥水性を保持しつつ剥離などの耐久性を向上させることができる。 In the gas diffusion layer according to the third invention, in the gas diffusion layer according to the first invention or the second invention, the fluororesin of the resin layer and the intermediate layer is made water repellent and binding property in the conventional fluororesin. With excellent FEP, the binding property between the base material layer and the resin layer and the binding property between the resin layer and the intermediate layer are improved, and durability such as peeling is maintained while maintaining the water repellency of the gas diffusion layer. Can be improved.
第4の発明に係る固体高分子形燃料電池の電極に用いられるガス拡散層の製造方法は、まず、炭素繊維からなる基材層上に少なくとも炭素粉末とフッ素樹脂とを含む中間層ペーストを含ませて、乾燥する(S2,S3)。そして、中間層を焼成する(S4)。ステップS1からS4までにより、基材層と中間層との積層体である積層体を得る。そして、基材層と焼成した中間層とからなる積層体にフッ素樹脂を含む溶液を付着させる(S5)。そして、その積層体の表面に付着した余分な溶液を除去する(S6)。そして、その工程(S6)を経た積層体を乾燥し(S7)、その後その積層体を焼成する(S9)。 A method for producing a gas diffusion layer used for an electrode of a polymer electrolyte fuel cell according to a fourth aspect of the invention first includes an intermediate layer paste containing at least carbon powder and a fluororesin on a base material layer made of carbon fiber. It is dried (S2, S3). Then, the intermediate layer is fired (S4). Through steps S1 to S4, a laminate that is a laminate of the base material layer and the intermediate layer is obtained. And the solution containing a fluororesin is made to adhere to the laminated body which consists of a base material layer and the baked intermediate | middle layer (S5). And the excess solution adhering to the surface of the laminated body is removed (S6). And the laminated body which passed through the process (S6) is dried (S7), and the laminated body is baked after that (S9).
第4の発明に係るガス拡散層の製造方法では、基材層とフッ素樹脂膜との積層体が上記工程(S4からS7までとS9)を経ることにより、基材層とフッ素樹脂膜との境界部分にフッ素樹脂を含む樹脂層を設けたガス拡散層を得ることができる。そして、そのガス拡散層では、炭素繊維がその樹脂層を貫通してフッ素樹脂膜と接する構造となる。 In the method for producing a gas diffusion layer according to the fourth invention, the laminate of the base material layer and the fluororesin film undergoes the above-described steps (S4 to S7 and S9). A gas diffusion layer in which a resin layer containing a fluororesin is provided at the boundary portion can be obtained. In the gas diffusion layer, the carbon fiber penetrates the resin layer and comes into contact with the fluororesin film.
第5の発明に係るガス拡散層の製造方法は、第4の発明に係るガス拡散層の製造方法において、積層体にフッ素樹脂を含む溶液を付着させる工程(S5)と、積層体の表面に付着した余分な溶液を除去する工程(S6)と、工程(S6)を経た積層体を乾燥する工程(S7)とを所定回数繰り返すことを特徴とする。 A method for producing a gas diffusion layer according to a fifth invention is the method for producing a gas diffusion layer according to the fourth invention, wherein the step of attaching a solution containing a fluororesin to the laminate (S5) and the surface of the laminate It is characterized in that the step (S6) of removing the excess solution adhered and the step (S7) of drying the laminate after the step (S6) are repeated a predetermined number of times.
第5の発明に係るガス拡散層の製造方法では、上記工程(S5、S6、S7)の繰り返し回数を増やすことによって樹脂層の膜厚を増加させ、樹脂層のフッ素樹脂の量を増やすことができる。 In the method for manufacturing a gas diffusion layer according to the fifth invention, the thickness of the resin layer is increased by increasing the number of repetitions of the above steps (S5, S6, S7), and the amount of fluororesin in the resin layer is increased. it can.
第6の発明に係るガス拡散層の製造方法は、第4の発明または第5の発明に係るガス拡散層の製造方法において、フッ素樹脂は四フッ化エチレン−六フッ化プロピレン共重合体(FEP)を含むことを特徴とする。 A method for producing a gas diffusion layer according to a sixth invention is the method for producing a gas diffusion layer according to the fourth invention or the fifth invention, wherein the fluororesin is a tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer (FEP). ).
第6の発明に係るガス拡散層の製造方法では、第3の発明に係るガス拡散層と同様の構成を持つガス拡散層を得ることができる。 In the method for producing a gas diffusion layer according to the sixth invention, a gas diffusion layer having the same configuration as that of the gas diffusion layer according to the third invention can be obtained.
第4から6までの発明は、第2の発明と同様に、撥水性材料のフッ素樹脂に対する炭素粉末の質量の割合が20質量%以上900質量%以下とし、樹脂層のフッ素樹脂に対する炭素粉末の質量の割合が25質量%以下とするようにガス拡散層を製造しても良い。このようにすると、特に、電気抵抗を増大させず撥水性の高いガス拡散層とすることができる。 In the fourth to sixth inventions, as in the second invention, the ratio of the mass of the carbon powder to the fluororesin of the water repellent material is 20% by mass to 900% by mass, and the carbon powder to the fluororesin of the resin layer You may manufacture a gas diffusion layer so that the mass ratio may be 25 mass% or less. In this way, in particular, a gas diffusion layer having high water repellency can be obtained without increasing the electrical resistance.
本発明に係る固体高分子形燃料電池の電極に用いられるガス拡散層およびその製造方法では、単セルの内部抵抗を増大させることなく、従来よりも撥水性と剥離などの耐久性を向上させたガス拡散層を得ることができる。これにより、PEFCの耐久性を向上させることができる。 In the gas diffusion layer used for the electrode of the polymer electrolyte fuel cell and the manufacturing method thereof according to the present invention, durability such as water repellency and peeling is improved as compared with the conventional one without increasing the internal resistance of the single cell. A gas diffusion layer can be obtained. Thereby, durability of PEFC can be improved.
(第1の実施形態)
図1は、本発明に係るガス拡散層10bを用いた単セルの積層構造を概略的に示す断面図である。単セル20は、電極接合体(MEA)16と、アノードガスケット12aと、カソードガスケット12bと、アノード側セパレータ14aと、カソード側セパレータ14bとを備えている。MEA16は、固体高分子からなる電解質膜11の両面にアノード13aおよびカソード13bを備える。アノード13aおよびカソード13bは、本発明に係るガス拡散層10bと触媒層5とが積層されてなる。アノードガスケット12aおよびカソードガスケット12bは、酸化剤や燃料の漏れを防ぐためにアノード13aおよびカソード13bの周囲に設けられる。アノード側セパレータ14aは、MEA16に臨む面にアノード13aに供給するメタノール水溶液を流通するための流路15(破線)を備える。カソード側セパレータ14bは、MEA16に臨む面にカソード13bに供給する空気を流通するための流路15を備える。
(First embodiment)
FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing a laminated structure of a single cell using a
−固体高分子形燃料電池用ガス拡散層について−
図2は、一例として、固体高分子形燃料電池用ガス拡散層の断面の概略を示す図である。そして、図2(a)は、樹脂層2の形成前のガス拡散層10aの断面の概略を示す図であり、図2(b)は、樹脂層2の形成後のガス拡散層10bの断面の概略を示す図である。ガス拡散層10bは、ガス拡散層10aに樹脂層2を設けることにより得られる。このガス拡散層10bの基材層1の炭素繊維4は、中間層3に接している。
-Gas diffusion layer for polymer electrolyte fuel cells-
FIG. 2 is a diagram schematically showing a cross section of a gas diffusion layer for a polymer electrolyte fuel cell as an example. 2A is a diagram showing an outline of a cross section of the
図2(a)は、炭素粉末とフッ素樹脂とを含む中間層3と、炭素繊維を含むカーボンペーパーなどからなる基材層1とがこの順に積層されてなるガス拡散層10aを示している。基材層1および中間層3は、ガス拡散層10bと同様であるので、以下のガス拡散層10bと一緒に詳細に説明する。
FIG. 2A shows a
図2(b)は、炭素粉末とフッ素樹脂とを含む中間層3と、フッ素樹脂を含む樹脂層2と、炭素繊維4を含むカーボンペーパーなどからなる基材層1とがこの順に積層されてなるガス拡散層10bを示している。基材層1は、主に電導性およびガス拡散性を有する層である。樹脂層2は、主に撥水性を有する層である。中間層3は、基材層1と触媒層5の中間にあり、主に導電性、撥水性および結着性を有する層である。
In FIG. 2B, an
アノード13aおよびカソード13bの電極13は、中間層3を触媒層5と接するように、ガス拡散層10bと触媒層5とを積層させてなる。
The
基材層1は、主に炭素繊維4から構成される。炭素繊維4は、繊維直径の10倍以上の長さを持つ炭素材料、例えば、カーボンペーパー、カーボンフェルト、カーボンクロスなどを用いることができる。炭素繊維4は、電子伝導性を高めるために焼結されていてもよい。
The
炭素繊維4は、樹脂層2を貫通して中間層3と接している。ここで、炭素繊維4が中間層3と接するとは、炭素繊維4と中間層3とが電気的に接続された状態をいい、炭素繊維4の先端部が中間層3内部に入り込んでいる状態をいう。これにより、電気的接続が確保され、ガス拡散層10は、基材層1と中間層3の間に樹脂層2を有しても、抵抗の増大を抑えることができる。
The
基材層1は、樹脂を含有してもよく、それによりフラッディングを抑え得る。その樹脂として、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)や四フッ化エチレン−六フッ化プロピレン共重合体(FEP)などの強い撥水性を有するものを用いることが好ましいが、イオン交換基を持たないフッ素樹脂であればよい。その材料としては、例えば、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、ポリフッ化ビニル(PVF)、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(PFA)、ポリクロロトリフルオロエチレン(PCTFE)、エチレン−クロロアルキルエチレン共重合体(ECTFE)、エチレン−テトラフルオロエチレン共重合体(ETFF)などが使用できる。これらのフッ素樹脂のうち、撥水性が高く、熱可塑性のある四フッ化エチレン−六フッ化プロピレン共重合体(FEP)は、高い撥水性と結着性とが得られることから特に好ましい。
The
基材層1の空孔が多い程、そのガス拡散層のガス拡散性は優れる。しかし、基材層1の空孔が多くなると、電子の伝導経路は減少し、その燃料電池の出力特性は低下する。したがって、ガス拡散性と電子伝導性とを両立させるためには、多孔度が50%以上95%以下の基材層1を用いることが好ましい。
The more holes in the
樹脂層2は、フッ素樹脂で構成される。フッ素樹脂は、中間層3の撥水剤としての役割と、中間層と基材層とを結着するためのバインダーとしての役割を果たす。樹脂層2は、炭素粉末を含んでもよいが、フッ素樹脂に対する炭素粉末の割合は25質量%以下であることが好ましい。樹脂層2は、炭素粉末を含まなくてもよい。さらに、樹脂層2のフッ素樹脂に対する炭素粉末の割合は、樹脂層2の幅、奥行き、厚さやある基準の方向によって変化したり、ある部分に偏ってたりしてもよい。
The
樹脂層2のフッ素樹脂は、PEFCの運転にともなう生成水によるフラッディングを防ぐために、イオン交換基を持たないフッ素樹脂を使用するのが好ましい。このフッ素樹脂として、基材層1と同様のフッ素樹脂を使用することができる。また、基材層1と同様に、このフッ素樹脂は、四フッ化エチレン−六フッ化プロピレン共重合体(FEP)が特に好ましい。
As the fluororesin of the
中間層3は、主に炭素粉末とフッ素樹脂とから構成される。中間層3のフッ素樹脂に対する炭素粉末の割合は、20〜900質量%であることが好ましい。
The
炭素粉末は、一次粒子の平均粒径が1μm未満の粉末状の炭素材料を用いることができる。その炭素粉末は、電子伝導性の高いものが好ましく、例えば、アセチレンブラックやファーネスブラックなどのカーボンブラックおよび活性炭などが使用できる。フッ素樹脂は、中間層3に撥水性を与えるための撥水剤としての役割と、中間層3を形成するためのバインダーとしての役割を果たす。
As the carbon powder, a powdery carbon material having an average primary particle size of less than 1 μm can be used. The carbon powder preferably has high electron conductivity. For example, carbon black such as acetylene black and furnace black, activated carbon, and the like can be used. The fluororesin serves as a water repellent for imparting water repellency to the
中間層3のフッ素樹脂は、PEFCの運転にともなう生成水によるフラッディングを防ぐために、イオン交換基を持たないフッ素樹脂を使用するのが好ましい。このフッ素樹脂として、基材層1と同様のフッ素樹脂を使用することができる。また、基材層1と同様に、このフッ素樹脂は、四フッ化エチレン−六フッ化プロピレン共重合体(FEP)が特に好ましい。
As the fluororesin of the
以上から、第1の実施形態は、触媒層の表面に設けられる固体高分子形燃料電池用ガス拡散層であり、炭素繊維を含むカーボンペーパーなどからなる基材層1の表面付近に、フッ素樹脂を主体として含む樹脂層2が形成され、樹脂層2の表面に炭素粉末とフッ素樹脂とを含む中間層3が形成された積層構造を有する。そして、そのガス拡散層では、樹脂層2におけるフッ素樹脂に対する炭素粉末の割合が、中間層3におけるフッ素樹脂に対する炭素粉末の割合よりも低く、および基材層1に含まれる炭素繊維が樹脂層2を貫通して中間層3と接している。
From the above, the first embodiment is a gas diffusion layer for a polymer electrolyte fuel cell provided on the surface of the catalyst layer, and a fluororesin is formed near the surface of the
第1の実施形態では、基材層1に含まれる炭素繊維4が樹脂層2を貫通して中間層3と接しているため、樹脂層2のフッ素樹脂に対する炭素粉末の割合を低減しても、電子伝導性を保持しつつ撥水性と結着性とを高めることができる。樹脂層2のフッ素樹脂に対する炭素粉末の割合は0%まで低減することができる。
In the first embodiment, since the
(第2の実施形態)−固体高分子形燃料電池用ガス拡散層の製造方法について−
第2の実施形態は、第1の実施形態の製造方法である。第1の実施形態は、基材層1の表面に、炭素粉末とフッ素樹脂とを含む中間層3を積層させた成型物(以下、「成型物」という。図2(a)参照。)に、フッ素樹脂を含ませる工程(以下、ステップS5からS9まで)を経ることにより製造することができる。第2の実施形態において、技術的な意義として最も重要な部分は、ステップS5からS9までにより、成型物の基材層と中間層の境界部分に多くのフッ素樹脂を担持した層、つまり、樹脂層2を形成させることである。
Second Embodiment About Manufacturing Method of Gas Diffusion Layer for Solid Polymer Fuel Cell
The second embodiment is the manufacturing method of the first embodiment. In the first embodiment, a molded product obtained by laminating an
図3は、固体高分子形燃料電池用ガス拡散層の製造の工程を示す図である。まず、炭素粉末と、溶媒と、FEPディスパージョンとを攪拌機で混合して中間層ペーストを製作する(ステップS1)。FEPディスパージョンとは、FEPの微粒子を、水に分散させた液体である。次に、カーボンペーパーをFEPディスパージョンを含む溶液中に浸漬させて、そのカーボンペーパーを乾燥する。そして、そのカーボンペーパー上に、その中間層ペーストを塗布する(ステップS2)。ステップS2において、中間層ペーストの塗布は、アプリケーターを用いたブレードコーティング法でおこなうのが好ましい。他の方法としては、スプレーで前記ペーストを吹き付ける方法、刷毛で塗布する方法などのカーボンペーパーの片面に前記ペーストを含ませる方法でおこなうこともできる。なお、カーボンペーパーを中間層ペーストに浸漬させる方法は基材層1を消失させてしまうので好ましくない。次に、そのカーボンペーパーを60℃の乾燥機に30分間静置して乾燥する(ステップS3)。次に、そのカーボンペーパーを窒素雰囲気下330℃で30分間焼成する(ステップS4)。ステップS4の焼成の工程は、200℃以上350℃以下の温度でおこなうことが好ましく、特に、230℃以上330℃以下の温度であることが好ましい。また、焼成の工程は、空気雰囲気下でおこなってもよいが、窒素およびアルゴンなどの不活性ガス雰囲気下で実施することが好ましい。このステップS4は、必要に応じて実施し、省くこともできる。ステップS1からS4までにより、図2(a)に示すような成型物を得る。
FIG. 3 is a diagram showing a process of manufacturing a gas diffusion layer for a polymer electrolyte fuel cell. First, carbon powder, a solvent, and FEP dispersion are mixed with a stirrer to produce an intermediate layer paste (step S1). The FEP dispersion is a liquid in which fine particles of FEP are dispersed in water. Next, the carbon paper is immersed in a solution containing the FEP dispersion, and the carbon paper is dried. And the intermediate | middle layer paste is apply | coated on the carbon paper (step S2). In step S2, the intermediate layer paste is preferably applied by a blade coating method using an applicator. As another method, it can also carry out by the method of including the said paste in the single side | surface of carbon paper, such as the method of spraying the said paste with a spray, the method of apply | coating with a brush. In addition, since the method of immersing carbon paper in an intermediate | middle layer paste will lose | disappear the
次に、その成型物を、FEPディスパージョンを含む溶液中に浸漬させ、その後その成型物を取り出す(ステップS5)。FEPディスパージョンを含む溶液には、エタノール、メタノール、プロパノールなどのアルコールや水などを用いることができる。このFEPディスパージョンの量を変えることにより、樹脂層の量を増減することができる。ステップS5において、成型物にFEPディスパージョンを含む溶液を含ませることが目的なので、FEPディスパージョンを含む溶液中に浸漬させる代わりに、スプレーで液体を吹き付ける方法、刷毛で塗布する方法をステップS5でおこなってもよい。ステップS5は、減圧下で実施することもできる。 Next, the molded product is immersed in a solution containing the FEP dispersion, and then the molded product is taken out (step S5). For the solution containing the FEP dispersion, alcohol such as ethanol, methanol, propanol, water, or the like can be used. By changing the amount of the FEP dispersion, the amount of the resin layer can be increased or decreased. In step S5, the purpose is to include a solution containing the FEP dispersion in the molded product. Instead of immersing in the solution containing the FEP dispersion, a method of spraying a liquid with a spray or a method of applying with a brush in step S5. You may do it. Step S5 can also be performed under reduced pressure.
次に、ステップ5でFEPディスパージョンを含む溶液を含ませた成型物を、不織布などで両面から押さえることにより、その表面の余分なFEPを除去する(ステップS6)。このFEPを除去する方法としては、吸水性材料でふき取る方法、気流で吹き飛ばす方法、樹脂製のへらで拭う方法などが挙げられる。次に、その成型物を、60℃の乾燥機に30分間静置して乾燥する(ステップS7)。ここで、成型物から溶媒を除去する方法としては、温度を上げる方法、減圧する方法、溶媒を置換する方法があるが、凍結乾燥や常温に静置する方法を用いることもできる。好ましくは、溶媒を短時間で除去できることから、60℃30分間乾燥することにより除去することがよい。ステップS5からS7までにより、その処理後の成型物の表面、つまり、ガス拡散層の表面にフッ素樹脂が付着することを避けることができる。さらに、ステップS5からS7までを必要回数繰り返す(ステップS8)。ステップS8の繰り返し回数により、樹脂層のフッ素樹脂の量を増大させることができる。次に、その成型物を、窒素雰囲気下330℃で30分間焼成する(ステップS9)。ステップS1からS9までにより、基材層と中間層とが積層された成型物に、基材層と中間層との境界部分に樹脂層を設けた、図2(b)に示すような固体高分子形燃料電池用ガス拡散層を製造することができる。
Next, excess FEP on the surface is removed by pressing the molded product containing the solution containing the FEP dispersion in
第2の実施形態では、予め中間層と基材層とを形成した後に、中間層と基材層との境界部分に樹脂層を形成するため、基材層に含まれる炭素繊維が樹脂層を貫通して中間層と接しているガス拡散層を製造できる。 In 2nd Embodiment, after forming an intermediate | middle layer and a base material layer previously, in order to form a resin layer in the boundary part of an intermediate | middle layer and a base material layer, carbon fiber contained in a base material layer changes a resin layer. A gas diffusion layer penetrating through and in contact with the intermediate layer can be manufactured.
(実施例)
以下、本発明の実施形態の一例として実施例を説明する。先ず、以下のガス拡散層を製造した。そして、そのガス拡散層を用いて以下の単セルを構成し、中間層のフッ素樹脂に対する炭素粉末の割合[質量%]と、単セル電圧の低下率[μV・h−1]、単セル電圧[V]および単セルの内部抵抗[mΩ・cm2]との関係をそれぞれ調べて評価した。ここで、単セル電圧の低下率とは、1時間当たりに低下する単セルの電圧をいう。また、単セルの内部抵抗とは、膜のシート抵抗をいい、単セルを二枚の板の間に挟んで一定の圧力を加え、JIS K7194に準じた四端子四探針法により単セルのシート抵抗[mΩ・cm2]を測定した。
(Example)
Hereinafter, an example will be described as an example of an embodiment of the present invention. First, the following gas diffusion layers were manufactured. And the following single cell is comprised using the gas diffusion layer, the ratio [mass%] of the carbon powder with respect to the fluororesin of an intermediate | middle layer, the decreasing rate [microvolt * h < -1 >] of a single cell voltage, a single cell voltage The relationship between [V] and the internal resistance [mΩ · cm 2 ] of the single cell was examined and evaluated. Here, the rate of decrease of the single cell voltage refers to the voltage of the single cell that decreases per hour. The internal resistance of a single cell refers to the sheet resistance of the membrane. A single cell is sandwiched between two plates, a constant pressure is applied, and the single cell sheet resistance is measured by a four-terminal four-probe method according to JIS K7194. [MΩ · cm 2 ] was measured.
1.ガス拡散層の製造
まず、以下(1)から(3)までの手順により、中間層のフッ素樹脂に対する炭素粉末の割合が1200質量%、900質量%、230質量%、40質量%、20質量%である、図2(a)で示すような樹脂層を備えないガス拡散層をサンプルA、B、C、D、Eとして製造した。
1. Production of Gas Diffusion Layer First, the ratio of the carbon powder to the fluororesin of the intermediate layer is 1200% by mass, 900% by mass, 230% by mass, 40% by mass, and 20% by mass by the following procedures (1) to (3). A gas diffusion layer without a resin layer as shown in FIG. 2A was produced as Samples A, B, C, D, and E.
(1)炭素粉末(Vulcan XC−72)5.0gと、2−プロパノール33gと、水11gと、DMF(N,N−ジメチルホルムアミド)22gと、FEPディスパージョン(FEP 120 J)との混合物を調製し、撹拌機で混合して中間層ペーストを製作する。このとき、この中間層のフッ素樹脂に対する炭素粉末の割合は、FEPディスパージョンの量によって決まり、フッ素樹脂に対する炭素粉末の割合を1200質量%にする場合、FEPディスパージョンの量を0.77gと、フッ素樹脂に対する炭素粉末の割合を900質量%にする場合、FEPディスパージョンの量を1.0gと、フッ素樹脂に対する炭素粉末の割合を230質量%にする場合、FEPディスパージョンの量を4.0gと、フッ素樹脂に対する炭素粉末の割合を40質量%にする場合、FEPディスパージョンの量を23gと、フッ素樹脂に対する炭素粉末の割合を20質量%にする場合、FEPディスパージョンの量を46gとする。
(2)つづいて、基材層として、2%のFEP溶液に浸して乾燥させた75mm×75mmの大きさのカーボンベーパー上に、アプリケータを用いたブレードコーティング法で上記(1)の中間層ペーストを塗布し、60℃の乾燥機に30分静置して乾燥する。
(3)そして、乾燥機から取り出して窒素雰囲気下330℃で30分間焼成する。
(1) A mixture of 5.0 g of carbon powder (Vulcan XC-72), 33 g of 2-propanol, 11 g of water, 22 g of DMF (N, N-dimethylformamide), and FEP dispersion (FEP 120 J). Prepare and mix with stirrer to make intermediate layer paste. At this time, the ratio of the carbon powder to the fluororesin of the intermediate layer is determined by the amount of FEP dispersion. When the ratio of the carbon powder to the fluororesin is 1200% by mass, the amount of FEP dispersion is 0.77 g. When the ratio of the carbon powder to the fluororesin is 900% by mass, the amount of the FEP dispersion is 1.0 g, and when the ratio of the carbon powder to the fluororesin is 230% by mass, the amount of the FEP dispersion is 4.0 g. When the ratio of the carbon powder to the fluororesin is 40% by mass, the amount of the FEP dispersion is 23 g. When the ratio of the carbon powder to the fluororesin is 20% by mass, the amount of the FEP dispersion is 46 g. .
(2) Subsequently, on the carbon vapor having a size of 75 mm × 75 mm soaked in 2% FEP solution and dried as a base material layer, the intermediate layer of the above (1) is applied by a blade coating method using an applicator. The paste is applied and left to dry in a dryer at 60 ° C. for 30 minutes.
(3) Then, it is removed from the dryer and baked at 330 ° C. for 30 minutes in a nitrogen atmosphere.
以上の(1)から(3)までの手順により、図2(a)に示すような基材層上に中間層を備えた従来のガス拡散層A、B、C、D、Eを得る。 The conventional gas diffusion layers A, B, C, D, and E having an intermediate layer on the base material layer as shown in FIG. 2A are obtained by the above procedures (1) to (3).
次に、以下(4)から(7)までの手順により、ガス拡散層A、B、C、D、Eに樹脂層を設けて、図2(b)で示すような本実施形態の樹脂層を備えるガス拡散層を製造する。なお、以下では、その樹脂層を備えるガス拡散層を、次の表記で区別している。 Next, a resin layer is provided on the gas diffusion layers A, B, C, D, and E according to the following procedures (4) to (7), and the resin layer of this embodiment as shown in FIG. A gas diffusion layer is manufactured. Hereinafter, the gas diffusion layer including the resin layer is distinguished by the following notation.
図4は、ガス拡散層の種類の表を示す図である。そして、各ガス拡散層の、中間層のフッ素樹脂に対する炭素粉末の割合と、樹脂層のフッ素樹脂に対する炭素粉末の割合とを表で示している。図4の耐久性は、フラッディッグや各層の剥離による単セルの電圧低下率を示し、その耐久性、単セル電圧および内部抵抗を、樹脂層を備えないガス拡散層と比べてそれぞれ評価している。ここで、○は良好、△は普通、−は評価無しをそれぞれ示す。 FIG. 4 is a diagram showing a table of types of gas diffusion layers. And the ratio of the carbon powder with respect to the fluororesin of an intermediate | middle layer of each gas diffusion layer and the ratio of the carbon powder with respect to the fluororesin of a resin layer are shown with the table | surface. The durability in FIG. 4 shows the voltage drop rate of a single cell due to flooding or peeling of each layer, and the durability, single cell voltage and internal resistance were evaluated in comparison with a gas diffusion layer without a resin layer, respectively. Yes. Here, ◯ indicates good, Δ indicates normal, and-indicates no evaluation.
例えば、ガス拡散層Aに樹脂層を設けた場合であって、
樹脂層のフッ素樹脂に対する炭素粉末の割合が45質量%の場合そのガス拡散層をA1と、
樹脂層のフッ素樹脂に対する炭素粉末の割合が25質量%の場合そのガス拡散層をA2と、
樹脂層のフッ素樹脂に対する炭素粉末の割合が10質量%の場合そのガス拡散層をA3と、
樹脂層のフッ素樹脂に対する炭素粉末の割合が0質量%の場合そのガス拡散層をA4としている。
For example, when a gas diffusion layer A is provided with a resin layer,
When the ratio of the carbon powder to the fluororesin of the resin layer is 45% by mass, the gas diffusion layer is designated as A1,
When the ratio of the carbon powder to the fluororesin of the resin layer is 25% by mass, the gas diffusion layer is designated as A2.
When the ratio of the carbon powder to the fluororesin of the resin layer is 10% by mass, the gas diffusion layer is A3,
When the ratio of the carbon powder to the fluororesin of the resin layer is 0% by mass, the gas diffusion layer is A4.
また、ガス拡散層B、C、D、Eも同様に表記する。ただし、ガス拡散層Dは、樹脂層のフッ素樹脂に対する炭素粉末の割合を45質量%、25質量%、10質量%の3通りの樹脂層を設け、その表記もそれぞれD1、D2、D3としている。また、ガス拡散層Eは、樹脂層のフッ素樹脂に対する炭素粉末の割合を45%、25%の2通りの樹脂層を設け、その表記もそれぞれE1、E2としている。 The gas diffusion layers B, C, D, and E are also expressed in the same manner. However, the gas diffusion layer D is provided with three resin layers of 45 mass%, 25 mass%, and 10 mass% of the carbon powder with respect to the fluororesin of the resin layer, and the notations thereof are also denoted as D1, D2, and D3, respectively. . In addition, the gas diffusion layer E is provided with two resin layers of 45% and 25% of the ratio of the carbon powder to the fluororesin of the resin layer, and the notations thereof are also denoted as E1 and E2, respectively.
(4)ガス拡散層A、B、C、D、Eを、3%のFEPディスパージョン(FEP 120 J)を含むメタノール中に浸漬し、5分間静置する。
(5)その後、上記(4)のガス拡散層を取り出して、不織布などで両面から押さえて表面の余分なFEPを除去する。そして、それを大気中60℃で乾燥する。
(6)上記(4)および(5)を所定回数繰り返す。この所定回数は、樹脂層のフッ素樹脂に対する炭素粉末の割合によって異なり、繰り返し回数を増やすと、樹脂層のフッ素樹脂の量が多くなって、フッ素樹脂に対する炭素粉末の割合は減少する。
(7)上記(6)のガス拡散層を窒素雰囲気下330℃で30分間焼成する。
(4) The gas diffusion layers A, B, C, D, and E are immersed in methanol containing 3% FEP dispersion (FEP 120 J) and allowed to stand for 5 minutes.
(5) Then, the gas diffusion layer of (4) is taken out and pressed from both sides with a nonwoven fabric or the like to remove excess FEP on the surface. Then, it is dried at 60 ° C. in the atmosphere.
(6) Repeat (4) and (5) above a predetermined number of times. The predetermined number of times varies depending on the ratio of the carbon powder to the fluororesin in the resin layer. When the number of repetitions is increased, the amount of the fluororesin in the resin layer increases and the ratio of the carbon powder to the fluororesin decreases.
(7) The gas diffusion layer of (6) is baked at 330 ° C. for 30 minutes in a nitrogen atmosphere.
以上の(4)から(7)までの手順により、図2(b)に示すような樹脂層を備えた本発明のガス拡散層A1からA4まで、B1からB4まで、C1からC4まで、D1からD3まで、E1およびE2を得る。 By the above procedures (4) to (7), the gas diffusion layers A1 to A4 of the present invention having the resin layer as shown in FIG. 2B, B1 to B4, C1 to C4, D1 E1 and E2 are obtained from D3.
さらに、つぎの手順(8)から(12)により、基材層と、樹脂層と、中間層とがこの順で配置され、かつ基材層の炭素繊維と中間層とが接しない構造であるガス拡散層を製造した。樹脂層は、フッ素樹脂を含み、フッ素樹脂に対する炭素粉末の割合が10質量%、25質量%または45質量%である。中間層は炭素粉末とフッ素樹脂とを含み、フッ素樹脂に対する炭素粉末の割合が230質量%である。
(8)炭素粉末(Vulcan XC−72)5.0gと、2−プロパノール33gと、水11gと、DMF22gと、FEPディスパージョン(FEP 120 J)との混合物を調製し、撹拌機で混合して中間層ペーストを製作する。このとき、この中間層ペーストを用いて製作した中間層のフッ素樹脂に対する炭素粉末の割合は、FEPディスパージョンの量によって決まり、フッ素樹脂に対する炭素粉末の割合を230質量%とする場合、FEPディスパージョンの量を1.0gと、フッ素樹脂に対する炭素粉末の割合を45質量%とする場合、FEPディスパージョンの量を21gと、フッ素樹脂に対する炭素粉末の割合を25質量%とする場合、FEPディスパージョンの量を37gと、フッ素樹脂に対する炭素粉末の割合を10質量%とする場合、FEPディスパージョンの量を93gとする。この例では、中間層ペーストを樹脂層の材料にも用いる。
(9)つづいて、基材層として2%のFEP溶液に浸して乾燥させた75mm×75mmの大きさのカーボンペーパー上に、アプリケータを用いたブレードコーティング法で上記(8)のフッ素樹脂に対する炭素粉末の割合が10質量%、25質量%および45質量%である中間層ペーストを塗布し、60℃の乾燥機に30分間静置して乾燥する。
(10)そして、乾燥機から取り出して窒素雰囲気下330℃で30分間焼成する。これにより、基材層は、フッ素樹脂に対する炭素粉末の割合が10質量%、25質量%および45質量%である樹脂層をそれぞれ備える。
(11)さらに、その樹脂層上に、アプリケータを用いたブレードコーティング法で上記(8)のフッ素樹脂に対する炭素粉末の割合が230質量%である中間層ペーストを塗布し、60℃の乾燥機に30分間静置して乾燥する。
(12)そして、乾燥機から取り出して窒素雰囲気下330℃で30分間焼成する。これにより、基材層と樹脂層との積層体は、フッ素樹脂に対する炭素粉末の割合が230質量%である中間層をそれぞれ備える。
Further, according to the following procedures (8) to (12), the base material layer, the resin layer, and the intermediate layer are arranged in this order, and the carbon fiber of the base material layer and the intermediate layer are not in contact with each other. A gas diffusion layer was produced. A resin layer contains a fluororesin and the ratio of the carbon powder with respect to a fluororesin is 10 mass%, 25 mass%, or 45 mass%. The intermediate layer includes carbon powder and a fluororesin, and the ratio of the carbon powder to the fluororesin is 230% by mass.
(8) Prepare a mixture of 5.0 g of carbon powder (Vulcan XC-72), 33 g of 2-propanol, 11 g of water, 22 g of DMF, and FEP dispersion (FEP 120 J), and mix with a stirrer. Make an intermediate paste. At this time, the ratio of the carbon powder to the fluororesin of the intermediate layer manufactured using the intermediate paste is determined by the amount of the FEP dispersion. When the ratio of the carbon powder to the fluororesin is 230% by mass, the FEP dispersion When the amount of carbon powder is 1.0 g and the ratio of the carbon powder to the fluororesin is 45% by mass, when the amount of FEP dispersion is 21 g and the ratio of the carbon powder to the fluororesin is 25% by mass, the FEP dispersion When the amount of the carbon powder is 37 g and the ratio of the carbon powder to the fluororesin is 10% by mass, the amount of the FEP dispersion is 93 g. In this example, the intermediate layer paste is also used as a material for the resin layer.
(9) Subsequently, on the carbon paper having a size of 75 mm × 75 mm soaked in a 2% FEP solution as a base material layer and dried, a blade coating method using an applicator is applied to the fluororesin of (8) above. An intermediate layer paste having a carbon powder ratio of 10% by mass, 25% by mass, and 45% by mass is applied, and left to stand in a dryer at 60 ° C. for 30 minutes for drying.
(10) Then, it is removed from the dryer and baked at 330 ° C. for 30 minutes in a nitrogen atmosphere. Thereby, a base material layer is each provided with the resin layer whose ratio of the carbon powder with respect to a fluororesin is 10 mass%, 25 mass%, and 45 mass%.
(11) Further, an intermediate layer paste in which the ratio of the carbon powder to the fluororesin of (8) is 230% by mass is applied onto the resin layer by a blade coating method using an applicator, and a dryer at 60 ° C. Left to dry for 30 minutes.
(12) Then, it is removed from the dryer and baked at 330 ° C. for 30 minutes in a nitrogen atmosphere. Thereby, the laminated body of a base material layer and a resin layer is each provided with the intermediate | middle layer whose ratio of the carbon powder with respect to a fluororesin is 230 mass%.
以上の、(8)から(12)までの手順により、図2(c)で示すような、基材層上に撥水性の高い樹脂層と、樹脂層より撥水性の低い中間層とを備えたガス拡散層10cを製造する。樹脂層のフッ素樹脂に対する炭素粉末の割合が10質量%、25質量%および45質量%であるガス拡散層をC12、C13、およびC14とする。
By the above procedures (8) to (12), a resin layer having a high water repellency and an intermediate layer having a lower water repellency than the resin layer are provided on the base material layer as shown in FIG. The
2.単セルの製造
次に、以下の手順により、上記手順で製造したガス拡散層を用いて単セルを製造した。
(1)3.0gの白金担持カーボン(田中貴金属製TEC10E−50E)と、21gの固体商分子電解質溶液(アルドリッチ社製、ナフィオン5質量%溶液)との混合物を調製し、プロペラ式撹拌機で混合して、触媒ペーストを製作する。
(2)上記手順で製造したガス拡散層上に、アプリケータを用いたブレードコーティング法で上記2.(1)の触媒ペーストを塗布する。これにより、電極を得る。
(3)上記2.(2)の電極の白金担持量が0.5mg・cm−2となるように、アプリケータのスリット幅を調整する。
(4)さらに、上記2.(3)の電極を25cm2の大きさに切断し、その電極2枚を固体高分子膜(Nafion112Dupont製)の両面に、135℃で加熱圧接することよって接合する。この加熱圧接では、スペーサを用いて電極の厚さが25%減少するようにする。これにより、MEAを得る。
(5)上記2.(4)のMEAをセパレータで挟持する。これにより、単セルを得る。
2. Manufacture of a single cell Next, the single cell was manufactured with the following procedures using the gas diffusion layer manufactured by the said procedure.
(1) A mixture of 3.0 g of platinum-supported carbon (TEC10E-50E manufactured by Tanaka Kikinzoku) and 21 g of a solid quotient molecular electrolyte solution (manufactured by Aldrich,
(2) On the gas diffusion layer produced by the above procedure, the above 2. is obtained by a blade coating method using an applicator. The catalyst paste of (1) is applied. Thereby, an electrode is obtained.
(3) 2. The slit width of the applicator is adjusted so that the amount of platinum supported on the electrode of (2) is 0.5 mg · cm −2 .
(4) Further, the above 2. The electrode of (3) is cut to a size of 25 cm 2 , and the two electrodes are joined to both surfaces of a solid polymer membrane (manufactured by Nafion 112 Dupont) by heat-pressing at 135 ° C. In this heating and pressure welding, the thickness of the electrode is reduced by 25% using a spacer. Thereby, MEA is obtained.
(5) 2. (4) MEA is sandwiched between separators. Thereby, a single cell is obtained.
3.実験
次に、上記手順で製造した単セルに空気および水素を供給し、300[mA・cm−2]の電流密度で連続運転をおこなって、中間層のフッ素樹脂に対する炭素粉末の割合[質量%]と、単セル電圧の低下率[μV・h−1]、単セル電圧[V]および単セルの内部抵抗[mΩ・cm2]との関係を調べた。
3. Experiment Next, air and hydrogen were supplied to the single cell manufactured by the above procedure, and the continuous operation was performed at a current density of 300 [mA · cm −2 ], and the ratio of the carbon powder to the fluororesin of the intermediate layer [mass% ], The decrease rate of the single cell voltage [μV · h −1 ], the single cell voltage [V], and the internal resistance [mΩ · cm 2 ] of the single cell were examined.
図5は、中間層のフッ素樹脂に対する炭素粉末の割合[質量%]と単セル電圧の低下率[μV・h−1]との関係を示す図であり、連続運転試験における単セルの電圧低下率を示す。なお、横軸の中間層のフッ素樹脂に対する炭素粉末の割合は、対数で表している。図5より、本発明のガス拡散層である、樹脂層を備えたガス拡散層を備えた単セルの電圧低下率[μV・h−1]は、従来の樹脂層を備えないガス拡散層を用いた単セルと比較して著しく低いことがわかる。これは、本発明のガス拡散層を用いることにより、高い撥水性が付与されたので、フラッディングによるセル電圧の低下を抑制することができた結果である。特に、樹脂層のフッ素樹脂に対する炭素粉末の割合が25質量%より小さいガス拡散層を用いた場合に、単セル電圧低下率が著しく小さいことがわかる。これは、フッ素樹脂に対する炭素粉末の割合が25質量%より小さいことによって撥水性が著しく向上した結果、フラッディングの抑制効果が著しく高くなったためである。また、中間層のフッ素樹脂に対する炭素粉末の割合が1200質量%のガス拡散層を用いた場合には、その割合が900質量%以下のものと比べてセル電圧低下率が高いことがわかる。これは、中間層のフッ素樹脂に対する炭素粉末の割合が高すぎるので、中間層の機械的強度の減少によって電流密度分布が不均一になったためと考えられる。 FIG. 5 is a diagram showing the relationship between the ratio [% by mass] of the carbon powder to the fluororesin of the intermediate layer and the rate of decrease of the single cell voltage [μV · h −1 ], and the voltage drop of the single cell in the continuous operation test. Indicates the rate. In addition, the ratio of the carbon powder with respect to the fluororesin of the intermediate | middle layer of a horizontal axis is represented by the logarithm. From FIG. 5, the voltage drop rate [μV · h −1 ] of the single cell including the gas diffusion layer including the resin layer, which is the gas diffusion layer of the present invention, is a gas diffusion layer not including the conventional resin layer. It can be seen that it is significantly lower than the single cell used. This is a result of being able to suppress a decrease in cell voltage due to flooding since high water repellency was imparted by using the gas diffusion layer of the present invention. In particular, it can be seen that the single cell voltage drop rate is remarkably small when a gas diffusion layer in which the ratio of the carbon powder to the fluororesin of the resin layer is less than 25% by mass is used. This is because the effect of suppressing flooding is remarkably enhanced as a result of the remarkable improvement in water repellency by the ratio of the carbon powder to the fluororesin being less than 25% by mass. Moreover, when the ratio of the carbon powder with respect to the fluororesin of an intermediate | middle layer is used for the gas diffusion layer whose mass ratio is 1200 mass%, it turns out that the cell voltage fall rate is high compared with the ratio of 900 mass% or less. This is presumably because the ratio of the carbon powder to the fluororesin in the intermediate layer was too high, and the current density distribution became non-uniform due to the decrease in the mechanical strength of the intermediate layer.
つづいて、図4に示したガス拡散層を用いたセルの電流I−電圧V特性と電気的な内部抵抗とを測定した。図6は、中間層のフッ素樹脂に対する炭素粉末の割合[質量%]と単セル電圧[V]との関係を示す図である。また、図7は、中間層のフッ素樹脂に対する炭素粉末の割合[%]と単セルの内部抵抗[mΩ・cm2]との関係を示す図である。図6および図7は共に、300[mA・cm−2]の電流密度における電圧および単セルの内部抵抗を示している。なお、図6および図7は共に、横軸の中間層のフッ素樹脂に対する炭素粉末の割合は、対数で表している。図6より、中間層のフッ素樹脂に対する炭素粉末の割合が40質量%より小さいガス拡散層を用いた単セルは、電圧が著しく低いことがわかる。また図7より、中間層のフッ素樹脂に対する炭素粉末の割合が40質量%より小さいガス拡散層を用いた単セルは、内部抵抗が著しく高いことがわかる。これらの結果よりわかるように、中間層のフッ素樹脂に対する炭素粉末の割合が40質量%より小さいガス拡散層を用いた単セルは、中間層のフッ素樹脂が多いことに起因してガス拡散層の抵抗が高くなったので、単セルの内部抵抗が増大し、単セル電圧が低下した。さらに、図6および図7より、樹脂層のフッ素樹脂に対する炭素粉末の割合は、単セル電圧および内部抵抗に影響をおよぼさないことがわかる。これは、本発明のガス拡散層は、基材層に含まれる炭素繊維が樹脂層を貫通して中間層と接するので、樹脂層のフッ素樹脂に対する炭素粉末の割合が減少しても電気的な抵抗が変化しないことにより、単セル電圧に影響をおよぼさないことを示している。 Subsequently, the current I-voltage V characteristics and the electrical internal resistance of the cell using the gas diffusion layer shown in FIG. 4 were measured. FIG. 6 is a diagram showing the relationship between the ratio [mass%] of the carbon powder to the fluororesin of the intermediate layer and the single cell voltage [V]. FIG. 7 is a graph showing the relationship between the ratio [%] of the carbon powder to the fluororesin of the intermediate layer and the internal resistance [mΩ · cm 2 ] of the single cell. Both FIG. 6 and FIG. 7 show the voltage and the internal resistance of the single cell at a current density of 300 [mA · cm −2 ]. In both FIG. 6 and FIG. 7, the ratio of the carbon powder to the fluororesin in the intermediate layer on the horizontal axis is expressed in logarithm. FIG. 6 shows that the voltage of the single cell using the gas diffusion layer in which the ratio of the carbon powder to the fluororesin of the intermediate layer is less than 40% by mass is extremely low. Further, FIG. 7 shows that the single cell using the gas diffusion layer in which the ratio of the carbon powder to the fluororesin in the intermediate layer is smaller than 40% by mass has a remarkably high internal resistance. As can be seen from these results, the single cell using the gas diffusion layer in which the ratio of the carbon powder to the fluororesin in the intermediate layer is less than 40% by mass is due to the large amount of fluororesin in the intermediate layer. As the resistance increased, the internal resistance of the single cell increased and the single cell voltage decreased. Furthermore, it can be seen from FIGS. 6 and 7 that the ratio of the carbon powder to the fluororesin in the resin layer does not affect the single cell voltage and the internal resistance. This is because the gas diffusion layer of the present invention is electrically conductive even if the ratio of the carbon powder to the fluororesin in the resin layer decreases because the carbon fibers contained in the base material layer penetrate the resin layer and contact the intermediate layer. The fact that the resistance does not change indicates that the single cell voltage is not affected.
さらに、図8に示したガス拡散層を用いたセルのI−V特性および電気的な内部抵抗とを測定した。図9および図10は、樹脂層のフッ素樹脂に対する炭素粉末の割合[質量%]と300[mA・cm−2]の電流密度における単セル電圧[V]および内部抵抗[mΩ・cm2]の関係を示す図である。図9より、本発明のガス拡散層を用いた場合、樹脂層のフッ素樹脂に対する炭素粉末の割合が単セル電圧に影響をおよぼさないのに対して、従来のガス拡散層を用いた場合、その割合が低下するにしたがって、単セル電圧が著しく低下することがわかる。図10より、本発明のガス拡散層を用いた場合、樹脂層のフッ素樹脂に対する炭素粉末の割合が単セルの内部抵抗に影響をおよぼさないのに対して、従来のガス拡散層を用いた場合、その割合が低下するにしたがって、単セルの内部抵抗が著しく高くなることがわかる。これらの結果より、撥水性および結着性を向上するために樹脂層のフッ素樹脂に対する炭素粉末の割合を低下させた場合、本発明のガス拡散層では、基材層と中間層とが接触しているので電気的な内部抵抗が増大しないのに対して、従来のガス拡散層では、樹脂層が絶縁体として働き、内部抵抗が増大した結果単セル電圧が低下することが確認された。 Furthermore, the IV characteristics and electrical internal resistance of the cell using the gas diffusion layer shown in FIG. 8 were measured. 9 and 10 show the ratio of the carbon powder to the fluororesin of the resin layer [mass%], the single cell voltage [V] and the internal resistance [mΩ · cm 2 ] at a current density of 300 [mA · cm −2 ]. It is a figure which shows a relationship. From FIG. 9, when the gas diffusion layer of the present invention is used, the ratio of the carbon powder to the fluororesin of the resin layer does not affect the single cell voltage, whereas the conventional gas diffusion layer is used. It can be seen that the single cell voltage significantly decreases as the ratio decreases. From FIG. 10, when the gas diffusion layer of the present invention is used, the ratio of the carbon powder to the fluororesin of the resin layer does not affect the internal resistance of the single cell, whereas the conventional gas diffusion layer is used. As shown, the internal resistance of the single cell increases remarkably as the ratio decreases. From these results, when the ratio of the carbon powder to the fluororesin of the resin layer is decreased in order to improve water repellency and binding properties, the base layer and the intermediate layer are in contact with each other in the gas diffusion layer of the present invention. Therefore, in the conventional gas diffusion layer, it was confirmed that the resin layer works as an insulator and the single cell voltage decreases as a result of the increase in the internal resistance.
(まとめ)
以上の結果より、本実施形態の固体高分子形燃料電池用ガス拡散層は、単セルの電気的な内部抵抗を増大させることなく、ガス拡散層の撥水性を高めることによって、PEFCの耐久性能を向上させ得ることが確認された。特に、そのガス拡散層において、中間層のフッ素樹脂に対する炭素粉末の割合が20〜900質量%であり、樹脂層のフッ素樹脂に対する炭素粉末の割合が25質量%以下であると、その拡散層を用いる単セルの出力特性および耐久性能は、著しく優れることが確認された。
(Summary)
From the above results, the gas diffusion layer for the polymer electrolyte fuel cell of the present embodiment increases the water repellency of the gas diffusion layer without increasing the electrical internal resistance of the single cell, thereby improving the durability performance of the PEFC. It was confirmed that it can be improved. In particular, in the gas diffusion layer, when the ratio of the carbon powder to the fluororesin of the intermediate layer is 20 to 900% by mass and the ratio of the carbon powder to the fluororesin of the resin layer is 25% by mass or less, the diffusion layer is It was confirmed that the output characteristics and durability of the single cell used were remarkably excellent.
本発明によって、従来のPEFCのセル電圧を保持しつつ耐久性を向上させるため、信頼性の高い、省エネルギー効果を有するPEFCが得られる。特に、このようなPEFCは、小規模業務用から家庭用、携帯用をはじめ車載用など幅広い分野での利用が期待され、環境保全や経費削減を意識したエコの社会も考慮され、需要の拡大を図ることができ、産業上の利用可能性は極めて大きい。 According to the present invention, since the durability is improved while maintaining the cell voltage of the conventional PEFC, a highly reliable PEFC having an energy saving effect can be obtained. In particular, these PEFCs are expected to be used in a wide range of fields, from small business use to home use, portable use, and in-vehicle use. The industrial applicability is extremely high.
1 基材層
2 樹脂層
3 中間層
4 炭素繊維
5 触媒層
10a 樹脂層を備えない従来のガス拡散層
10b 樹脂層を備え、炭素繊維が中間層に接触したガス拡散層
10c 樹脂層を備えた従来のガス拡散層
11 電解質膜
12a アノードガスケット
12b カソードガスケット
13 電極
13a アノード(負極)
13b カソード(正極)
14a アノード側セパレータ
14b カソード側セパレータ
15 流路
16 MEA
20 単セル(単位電池)
DESCRIPTION OF
13b Cathode (positive electrode)
14a
20 single cell (unit battery)
Claims (6)
前記樹脂層のフッ素樹脂に対する炭素粉末の割合が、前記中間層のフッ素樹脂に対する炭素粉末の割合より低いこと、および、
前記基材層に含まれる炭素繊維が前記樹脂層を貫通して前記中間層と接すること
を特徴とするガス拡散層。 A base material layer containing carbon fiber, a resin layer containing fluororesin, and an intermediate layer containing carbon powder and fluororesin is a gas diffusion layer used for an electrode of a polymer electrolyte fuel cell arranged in this order,
The ratio of the carbon powder to the fluororesin of the resin layer is lower than the ratio of the carbon powder to the fluororesin of the intermediate layer, and
A gas diffusion layer characterized in that carbon fibers contained in the base material layer pass through the resin layer and come into contact with the intermediate layer.
を特徴とする請求項1記載のガス拡散層。 2. The gas diffusion layer according to claim 1, wherein a ratio of the mass of the carbon powder to the fluororesin of the intermediate layer is 20% by mass or more and 900% by mass or less.
を特徴とする請求項1または2に記載のガス拡散層。 The gas diffusion layer according to claim 1 or 2, wherein the fluororesin of the resin layer and the intermediate layer contains a tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer (FEP).
炭素繊維からなる基材層上に少なくとも炭素粉末とフッ素樹脂とを含む中間層ペーストを含ませて、乾燥する工程(S2,S3)と、
前記中間層を焼成する工程(S4)と、
前記基材層と前記焼成した中間層とからなる積層体にフッ素樹脂を含む溶液を付着させる工程(S5)と、
前記積層体の表面に付着した余分な溶液を除去する工程(S6)と、
前記工程(S6)を経た積層体を乾燥する工程(S7)と、
その後焼成する工程(S9)と
を具備するガス拡散層の製造方法。 A method for producing a gas diffusion layer used for an electrode of a polymer electrolyte fuel cell, comprising:
Including an intermediate layer paste containing at least carbon powder and a fluororesin on a base material layer made of carbon fiber, and drying (S2, S3);
Firing the intermediate layer (S4);
A step of attaching a solution containing a fluororesin to a laminate comprising the base material layer and the fired intermediate layer (S5);
Removing excess solution adhering to the surface of the laminate (S6);
A step (S7) of drying the laminate through the step (S6);
The manufacturing method of the gas diffusion layer which comprises the process (S9) baked after that.
前記積層体の表面に付着した余分な溶液を除去する工程(S6)と、
前記工程(S6)を経た積層体を乾燥する工程(S7)とを所定回数繰り返す
ことを特徴とする請求項4に記載のガス拡散層の製造方法。 Attaching a solution containing a fluororesin to the laminate (S5);
Removing excess solution adhering to the surface of the laminate (S6);
The method for producing a gas diffusion layer according to claim 4, wherein the step (S7) of drying the laminate that has undergone the step (S6) is repeated a predetermined number of times.
を特徴とする請求項4または5に記載のガス拡散層の製造方法。 The intermediate layer paste containing the carbon powder and the fluororesin and the fluororesin in the solution containing the fluororesin contain a tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer (FEP). 5. A method for producing a gas diffusion layer according to 5.
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