JP2014035797A - Membrane electrode assembly and fuel cell, and manufacturing method therefor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料ガスとして、純水素、メタノールなどの液体燃料、あるいは、化石燃料などからの改質水素などの還元剤を用い、酸化剤ガスとして、空気(酸素)などを用いる燃料電池に関し、より詳しくは、当該燃料電池が備えるガス拡散層及びその製造方法に関する。 The present invention relates to a fuel cell that uses a reducing agent such as pure hydrogen or methanol as a fuel gas, or reformed hydrogen from a fossil fuel, and uses air (oxygen) or the like as an oxidant gas. More specifically, the present invention relates to a gas diffusion layer provided in the fuel cell and a manufacturing method thereof.
燃料電池、例えば高分子電解質形燃料電池は、水素を含有する燃料ガスと、空気などの酸素を含有する酸化剤ガスとを、白金などの触媒層を有するガス拡散層で電気化学的に反応させることにより、電力と熱とを同時に発生させる装置である。燃料電池は、一般的には複数のセルを積層し、それらをボルトなどの締結部材で加圧締結することにより構成されている。1つのセルは、膜電極接合体(以下、MEA:Membrane−Electrode−Assemblyという)を一対の板状の導電性のセパレータで挟んで構成されている。 2. Description of the Related Art A fuel cell, for example, a polymer electrolyte fuel cell, causes a fuel gas containing hydrogen and an oxidant gas containing oxygen such as air to react electrochemically in a gas diffusion layer having a catalyst layer such as platinum. By this, it is an apparatus which generates electric power and heat simultaneously. A fuel cell is generally configured by stacking a plurality of cells and pressurizing them with a fastening member such as a bolt. One cell is configured by sandwiching a membrane electrode assembly (hereinafter referred to as MEA: Membrane-Electrode-Assembly) between a pair of plate-like conductive separators.
図4は、従来の高分子電解質形燃料電池の基本構成を示す模式図である。 FIG. 4 is a schematic diagram showing a basic configuration of a conventional polymer electrolyte fuel cell.
同図において、高分子電解質形燃料電池の単電池(セルともいう)100は、膜電極接合体110(以下、MEA:Membrane−Electrode−Assemblyという)と、MEA110の両面に配置された一対の板状の導電性のセパレータ120とを有している。
In the figure, a unit cell (also referred to as a cell) 100 of a polymer electrolyte fuel cell includes a membrane electrode assembly 110 (hereinafter referred to as MEA), and a pair of plates disposed on both sides of the
MEA110は、水素イオンを選択的に輸送する高分子電解質膜(イオン交換樹脂膜)111と、高分子電解質膜111の両面に形成された一対の電極層112とを備えている。一対の電極層112は、高分子電解質膜111の両面に形成され、白金属触媒を坦持したカーボン粉末を主成分とする触媒層113と、当該触媒層113上に形成され、集電作用とガス透過性と撥水性とを併せ持つガス拡散層114とを有している。ガス拡散層114は、炭素繊維からなる多孔質な基材115と、カーボンと撥水材からなるコーティング層(撥水カーボン層)116とで構成されている(例えば、特許文献1参照)。
The
一対のセパレータ120には、ガス拡散層114と当接する主面に、燃料ガスを流すための燃料ガス流路12と、酸化剤ガスを流すための酸化剤ガス流路122とが設けられている。また、前記一対のセパレータ120には、冷却水などが通る冷却水流路123が設けられている。当該各ガス流路121,122を通じて前記一対の電極層112にそれぞれ燃料ガス及び酸化剤ガスが供給されることで、電気化学反応が起こり、電力と熱とが発生する。
The pair of
上述のように構成されるセル100は、図4に示すように1つ以上積層され、互いに隣接するセル100を電気的に直列に接続されて使用されるのが一般的である。なお、このとき、互いに積層されたセル100は、反応ガスである燃料ガス及び酸化剤ガスがリークしないように且つ接触抵抗を減らすために、ボルトなどの締結部材130により所定の締結圧にて加圧締結される。従って、MEA110とセパレータ120とは所定の圧力で面接触することになる。
As shown in FIG. 4, one or
このとき、セパレータ120は、互いに隣接するMEA110,110同士を電気的に直列に接続するための集電性を有する。また、電気化学反応に必要なガスが外部に漏れるのを防ぐために、一対のセパレータ120,120の間には、触媒層113とガス拡散層114の側面を覆うようにシール材(ガスケット)117が配置されている。
At this time, the
近年、燃料電池の発電性能の向上のために、発電温度を従来よりも高温化して、熱回収温度を高くする検討が行われている。また、燃料電池システムの簡素化のために、MEAの電極層に供給する加湿量を従来よりも低減して運転(低加湿運転)することが検討されている。このような高温・低加湿運転を行う場合、前記構成を有する従来の燃料電池においては、ガス拡散層の炭素繊維からなる多孔質な基材は、布の織り方、編み方には制限されないが、炭素繊維の織布、又はペーパー状の多孔度が通常80%以上と高くなるために、ガス拡散層内の保水性を十分に高く保つことができない。そのため、電極層の内部が乾燥し、高分子電解質膜のプロトン伝導抵抗が増加して、発電性能(電圧)が低下するという課題がある。 In recent years, in order to improve the power generation performance of fuel cells, studies have been conducted to increase the heat recovery temperature by raising the power generation temperature higher than before. Further, in order to simplify the fuel cell system, it has been studied to operate with a reduced amount of humidification supplied to the electrode layer of the MEA than in the past (low humidification operation). When performing such a high temperature / low humidification operation, in the conventional fuel cell having the above-described configuration, the porous base material made of carbon fibers of the gas diffusion layer is not limited to the weaving and knitting methods of the fabric. Since the porosity of carbon fiber woven fabric or paper is usually as high as 80% or more, the water retention in the gas diffusion layer cannot be kept sufficiently high. Therefore, there is a problem that the inside of the electrode layer is dried, the proton conduction resistance of the polymer electrolyte membrane is increased, and the power generation performance (voltage) is lowered.
このため、ガス拡散層の保水性を向上させるために、多孔度を低くすることが求められている。ガス拡散層の多孔度を低くするためには、炭素繊維を基材として用いずにガス拡散層を構成する必要がある。炭素繊維を基材として用いないガス拡散層としては、例えば、特許文献2に開示されたものがある。
For this reason, in order to improve the water retention of a gas diffusion layer, it is calculated | required to make porosity low. In order to reduce the porosity of the gas diffusion layer, it is necessary to form the gas diffusion layer without using carbon fiber as a base material. An example of a gas diffusion layer that does not use carbon fiber as a substrate is disclosed in
特許文献2には、ガス供給及び生成水の排出をより確実に行うことを目的として、フッ素樹脂とカーボン粒子とを含み、空孔率(本発明の多孔度に相当する)を60%以下としたガス拡散層が開示されている。この特許文献2のガス拡散層によれば、空孔率を60%以下と低くしているので、高温・低加湿運転を行う場合においてもガス拡散層内の保水性を高く保つことができ、燃料電池の発電性能の向上を図ることができる。
また、特許文献3には、炭素繊維を基材として使用することなく、導電性粒子と高分子樹脂とで支持される構造(所謂、自己支持体構造)を持つ多孔質部材の組成及び製法が提案されている。更に、特許文献4には、上記特許文献3に記載されている多孔質部材に凹凸形状を形成する製法が提案されている。多孔質部材を2枚合せて片方の面に凹凸形状を形成する製法も提案されている。 Patent Document 3 discloses a composition and manufacturing method of a porous member having a structure (so-called self-supporting structure) supported by conductive particles and a polymer resin without using carbon fiber as a base material. Proposed. Further, Patent Document 4 proposes a manufacturing method for forming an uneven shape on the porous member described in Patent Document 3. There has also been proposed a manufacturing method in which two porous members are combined to form an uneven shape on one surface.
さらに近年、特に燃料電池システムの小型化と高出力化が求められ、MEAの高性能化、発電効率の向上が進められる中、ガス拡散層の低抵抗化が求められて、ガス拡散層の更なる薄膜化の試みがなされている。 Further, in recent years, especially fuel cell systems are required to be smaller and have higher output, and while MEA performance is improved and power generation efficiency is being improved, the resistance of the gas diffusion layer is required to be reduced. Attempts have been made to reduce the film thickness.
しかしながら、ガス拡散層の薄膜化を試みるために、前記特許文献1と同様な方法を用いてガス拡散層を形成する炭素繊維基材を薄くし、その上に保水性を向上させるためのカーボンと撥水材からなるコーティング層を設けることを試みたが、炭素繊維を基材としたガス拡散層の強度が低下するためにコーティング層を離型フィルムから剥離することが困難となる課題があった。
However, in order to try to reduce the thickness of the gas diffusion layer, the carbon fiber base material on which the gas diffusion layer is formed is thinned using the same method as in
また、上記炭素繊維基材を薄くし、その上に前記特許文献2と同様な方法を用いて作成したフッ素樹脂とカーボン粒子とを含み空孔率を60%以下としたガス拡散層を、熱プレスにより貼り合せることを試みたが、上記炭素繊維基材からなるガス拡散層に圧力が印加されるために、上記ガス拡散層が破断する課題があった。
In addition, a gas diffusion layer containing a fluororesin and carbon particles prepared by using the same method as in
一方、特許文献3に示されるように、フッ素樹脂とカーボン粒子とを含むガス拡散層シートを150μm以下の厚みにプレスして行く中で、膜の強度が不足することで自立することができず、破断して形状保持をすることができない課題があった。 On the other hand, as shown in Patent Document 3, while pressing a gas diffusion layer sheet containing a fluororesin and carbon particles to a thickness of 150 μm or less, the film cannot be self-supported due to insufficient film strength. There was a problem that the shape could not be maintained by breaking.
これらガス拡散層の薄膜化を検討してゆく中で、ガス拡散層の膜強度を強くするには、低多孔度化(高密度化)すれば良いが、この場合、ガス拡散性が阻害されて、特にセパレータのリブ部の鉛直下方の触媒層に反応ガスが届かず、触媒層面内の発電分布にバラツキが生じ、電圧が低下する課題が生じた。すなわち、ガス拡散層の機能としての撥水性と保水性と導電性を薄い層の中でバランスよく保つことが、従来よりも強く要求されることが明確になってきた。 While studying the thinning of these gas diffusion layers, in order to increase the film strength of the gas diffusion layer, it is sufficient to lower the porosity (higher density). In this case, however, the gas diffusibility is hindered. In particular, the reaction gas did not reach the catalyst layer vertically below the rib portion of the separator, causing variations in the power generation distribution in the catalyst layer surface, resulting in a problem of voltage reduction. That is, it has become clear that the water repellency, water retention and conductivity as functions of the gas diffusion layer are more strongly required than before to maintain a good balance in the thin layer.
発明者らは、上記課題に対して鋭意研究を重ねた結果、少なくとも2種類以上の自立して形状を保持する厚みの、多孔度の異なるガス拡散層シートを重ね合わせてプレスすることで、従来よりも薄い厚みで撥水性と保水性と導電性をバランスよく保つことが可能となり、発電性能を一層向上させることができるガス拡散層の製造方法を見出すことが可能となった。 As a result of earnestly researching the above problems, the inventors of the present invention have achieved the conventional by overlapping and pressing at least two types of gas diffusion layer sheets having different thicknesses that are self-supporting and have different shapes. It is possible to find a method for manufacturing a gas diffusion layer that can maintain water repellency, water retention, and conductivity in a well-balanced manner with a thinner thickness and can further improve power generation performance.
上記目的を達成するために、本発明は以下のように構成する。 In order to achieve the above object, the present invention is configured as follows.
高分子電解質膜と、高分子電解質膜を挟んで互いに対向する一対の触媒層と、高分子電解質膜及び前記一対の触媒層を挟んで互いに対向するアノードガス拡散層及びカソードガス拡散層と、を有し、アノードガス拡散層及びカソードガス拡散層は、導電性粒子と高分子樹脂とを主成分とした多孔質部材で構成され、少なくとも2層以上の多孔度の異なるシートを積層してなる多孔質膜を備える膜電極接合体、及びその製造方法に特徴を有する。 A polymer electrolyte membrane, a pair of catalyst layers facing each other across the polymer electrolyte membrane, and an anode gas diffusion layer and a cathode gas diffusion layer facing each other across the polymer electrolyte membrane and the pair of catalyst layers, The anode gas diffusion layer and the cathode gas diffusion layer are composed of a porous member mainly composed of conductive particles and a polymer resin, and are formed by laminating at least two layers having different porosity. It is characterized by a membrane electrode assembly comprising a membrane and a method for producing the same.
本構成によって、従来よりも薄い厚みで、厚み方向で多孔度が傾斜したガス拡散層を形成することが可能となり、撥水性と保水性と導電性をバランスよく保つことが可能となり、発電性能を一層向上することができる。 With this configuration, it is possible to form a gas diffusion layer with a thickness thinner than before and with a porosity gradient in the thickness direction, and it is possible to maintain a balance between water repellency, water retention and conductivity, and improve power generation performance. This can be further improved.
本発明に係る膜電極接合体及び燃料電池及びその製造方法によれば、ガス拡散層を導電性粒子と高分子樹脂とを主成分とした多孔質部材を少なくとも2層以上の多孔度の異なるシートを作成した後に積層して圧延しているので、ガス拡散層の保水性、撥水性を損なうことなく、薄膜化が可能となり、従来の膜電極接合体及び燃料電池に比べて、発電性能を一層向上させることができる。 According to the membrane electrode assembly, the fuel cell, and the method for producing the same according to the present invention, the gas diffusion layer is made of at least two layers of porous members mainly composed of conductive particles and a polymer resin. Since the film is laminated and rolled, it becomes possible to reduce the thickness of the gas diffusion layer without impairing the water retention and water repellency of the gas diffusion layer, and the power generation performance is further improved compared to conventional membrane electrode assemblies and fuel cells. Can be improved.
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、以下の全ての図において、同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明は省略する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In all of the following drawings, the same or corresponding parts are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted.
図1は、本発明の実施形態に係る燃料電池の基本構成を示す断面図である。 FIG. 1 is a cross-sectional view showing a basic configuration of a fuel cell according to an embodiment of the present invention.
本実施形態に係る燃料電池は、水素を含有する燃料ガスと、空気などの酸素を含有する酸化剤ガスとを電気化学的に反応させることにより、電力と熱とを同時に発生させる高分子電解質型燃料電池である。なお、本発明は、高分子電解質形燃料電池に限定されるものではなく、種々の燃料電池に適用可能である。 The fuel cell according to the present embodiment is a polymer electrolyte type that generates electric power and heat simultaneously by electrochemically reacting a fuel gas containing hydrogen and an oxidant gas containing oxygen such as air. It is a fuel cell. The present invention is not limited to the polymer electrolyte fuel cell, but can be applied to various fuel cells.
本実施形態に係る燃料電池は、図1に示すように、膜電極接合体10(以下、MEAという場合もある。)と、MEA10の両面に配置された一対の板状の導電性セパレータ(アノードセパレータ20A、カソードセパレータ20C)とを有するセル(単電池)1を備えている。なお、本実施形態に係る燃料電池は、この燃料電池セル1を複数個積層して構成されていても良い。この場合、互いに積層された燃料電池セル1は、燃料ガス及び酸化剤ガスがリークしないように且つ接触抵抗を減らすために、ボルトなどの締結部材(図示せず)により所定の締結圧にて加圧締結されていることが好ましい。
As shown in FIG. 1, the fuel cell according to this embodiment includes a membrane electrode assembly 10 (hereinafter sometimes referred to as MEA) and a pair of plate-like conductive separators (anodes) disposed on both surfaces of the
MEA10は、水素イオンを選択的に輸送する高分子電解質膜11と、この高分子電解質膜11の両面に形成された一対の電極層とを有している。一対の電極層の一方は、アノード電極(燃料極ともいう)12Aであり、他方はカソード電極(空気極ともいう)12Cである。アノード電極12Aは、高分子電解質膜11の一方の面上に形成され、白金属触媒を坦持したカーボン粉末を主成分とする一対のアノード触媒層13Aと、このアノード触媒層13A上に形成され、集電作用とガス透過性と撥水性とを併せ持つアノードガス拡散層14Aとを有している。
The
図1ではアノードガス拡散層14Aは3層からなり、高分子電解質膜11に近い側から、141A、142A、143Aと複数の層から形成されている。カソード電極12Cは、高分子電解質膜11の他方の面上に形成され、白金属触媒を坦持したカーボン粉末を主成分とする一対のカソード触媒層13Cと、このカソード触媒層13C上に形成され、集電作用とガス透過性と撥水性とを併せ持つカソードガス拡散層14Cとを有している。カソードガス拡散層14Cはアノードガス拡散層と同様に、高分子電解質膜11に近い側から、141C、142C、143Cと複数の層から形成されている。
In FIG. 1, the anode gas diffusion layer 14 </ b> A includes three layers, and is formed of a plurality of layers 141 </ b> A, 142 </ b> A, 143 </ b> A from the side close to the
アノード電極12A側に配置されたアノードセパレータ20Aには、アノードガス拡散層143Aと当接する主面に、燃料ガスを流すための燃料ガス流路21Aが設けられている。燃料ガス流路21Aは、例えば、互いに略平行な複数の溝で構成されている。カソード電極12C側に配置されたカソードセパレータ20Cには、カソードガス拡散層143Cと当接する主面に、酸化剤ガスを流すための酸化剤ガス流路21Cが設けられている。
The
酸化剤ガス流路21Cは、例えば、互いに略平行な複数の溝で構成されている。なお、アノードセパレータ20A及びカソードセパレータ20Cには、冷却水などが通る冷却水流路(図示せず)が設けられていても良い。燃料ガス流路21Aを通じてアノード電極12Aに燃料ガスが供給されると共に、酸化剤ガス流路21Cを通じてカソード電極12Cに酸化剤ガスが供給されることで、電気化学反応が起こり、電力と熱とが発生する。
The oxidant
なお、上述では、燃料ガス流路21Aをアノードセパレータ20Aに設けたが、本発明はこれに限定されない。例えば、燃料ガス流路21Aは、アノードガス拡散層14Aに設けても良い。この場合、アノードセパレータ20Aは平板状であっても良い。同様に、前記では、酸化剤ガス流路21Cをカソードセパレータ20Cに設けたが、本発明はこれに限定されない。例えば、酸化剤ガス流路21Cは、カソードガス拡散層14Cに設けても良い。この場合、カソードセパレータ20Cは平板状であっても良い。
In the above description, the
アノードセパレータ20Aと高分子電解質膜11との間には、燃料ガスが外部に漏れることを防ぐために、アノード触媒層13A及びアノードガス拡散層14Aの側面を覆うようにシール材としてアノードガスケット15Aが配置されている。また、カソードセパレータ20Cと高分子電解質膜11との間には、酸化剤ガスが外部に漏れることを防ぐために、カソード触媒層13C及びカソードガス拡散層14Cの側面を覆うようにシール材としてカソードガスケット15Cが配置されている。
Between the
アノードガスケット15A及びカソードガスケット15Cとしては、一般的な熱可塑性樹脂、熱硬化性樹脂などを用いることができる。例えば、アノードガスケット15A及びカソードガスケット15Cとして、シリコン樹脂、エポキシ樹脂、メラミン樹脂、ポリウレタン系樹脂、ポリイミド系樹脂、アクリル樹脂、ABS樹脂、ポリプロピレン、液晶性ポリマー、ポリフェニレンサルファイド樹脂、ポリスルホン、ガラス繊維強化樹脂などを用いることができる。
As the
なお、アノードガスケット15A及びカソードガスケット15Cは、それらの一部がアノードガス拡散層14A又はカソードガス拡散層14Cの周縁部に含浸しているほうが好ましい。これにより、発電耐久性及び強度を向上させることができる。
The
また、アノードガスケット15A及びカソードガスケット15Cに代えて、アノードセパレータ20Aとカソードセパレータ20Cとの間に、高分子電解質膜11、アノード触媒層13A、アノードガス拡散層14A、カソード触媒層13C及びカソードガス拡散層14Cの側面を覆うように、ガスケットを配置しても良い。これにより、高分子電解質膜11の劣化を抑制し、MEA10のハンドリング性、量産時の作業性を向上させることができる。
Further, instead of the
次に、本発明の実施形態に係るガス拡散層の構成についてさらに詳細に説明する。 Next, the configuration of the gas diffusion layer according to the embodiment of the present invention will be described in more detail.
アノードガス拡散層14A及びカソードガス拡散層14Cは、導電性粒子と高分子樹脂と炭素繊維を主成分としたシート状で且つゴム状の多孔質部材で構成されている。また、アノードガス拡散層14A及びカソードガス拡散層14Cはそれぞれ、少なくとも2層以上の多孔質部材の組み合わせで構成されていても良い。アノードガス拡散層14Aは高分子電解質膜11に近い側から、141A、142A、143Aと複数の層から形成されている。カソードガス拡散層14Cはアノードガス拡散層と同様に、高分子電解質膜11に近い側から、141C、142C、143Cと複数の層から形成されている。組み合わされたガス拡散層は、たとえば厚み方向に多孔度が傾斜して設計されており、触媒層に近いガス拡散層の多孔度は高く、触媒層とは反対側のガス流路側に近いガス拡散層の多孔度は低く設定することができる。
The anode gas diffusion layer 14A and the cathode gas diffusion layer 14C are made of a sheet-like and rubber-like porous member mainly composed of conductive particles, polymer resin, and carbon fiber. Moreover, each of the anode gas diffusion layer 14A and the cathode gas diffusion layer 14C may be configured by a combination of at least two porous members. The anode gas diffusion layer 14A is formed of a plurality of
これにより、従来の炭素繊維の織布、ペーパーとは異なり、導電性粒子と高分子樹脂と炭素繊維を主成分としたシート状で且つゴム状の多孔質部材で構成されているため、電極表面で発生した水分が多孔度の大きい電極側から多孔度の小さいガス流路側に拡散移動して保持される効果を発現されることで、高温・低加湿運転を行う場合においてもアノードガス拡散層14A及びカソードガス拡散層14C内の保水性を高く保つことができる。 As a result, unlike conventional carbon fiber woven fabric and paper, the electrode surface is composed of a sheet-like and rubber-like porous member mainly composed of conductive particles, polymer resin, and carbon fiber. 14A is produced even when a high-temperature, low-humidification operation is performed, by exhibiting an effect that the moisture generated in the above is diffused and held from the electrode side with a high porosity to the gas flow path side with a low porosity. In addition, water retention in the cathode gas diffusion layer 14C can be kept high.
導電性粒子の材料としては、例えば、グラファイト、カーボンブラック、活性炭などのカーボン材料が挙げられる。このカーボンブラックとしては、アセチレンブラック(AB)、ファーネスブラック、ケッチェンブラック、バルカンなどが挙げられる。 Examples of the conductive particle material include carbon materials such as graphite, carbon black, and activated carbon. Examples of the carbon black include acetylene black (AB), furnace black, ketjen black, and vulcan.
なお、それらの中でもカーボンブラックの主成分としてアセチレンブラックが用いられることが、不純物含有量が少なく、電気伝導性が高いという観点から好ましい。また、グラファイトの主成分としては、天然黒鉛、人造黒鉛が挙げられる。なお、これらの中でもグラファイトの主成分として人造黒鉛が用いられることが、不純物が少ないという観点から好ましい。 Of these, acetylene black is preferably used as the main component of carbon black from the viewpoint of low impurity content and high electrical conductivity. Examples of the main component of graphite include natural graphite and artificial graphite. Of these, artificial graphite is preferably used as the main component of graphite from the viewpoint of low impurities.
また、導電性粒子は、平均粒子径が異なる2種類のカーボン材料を混合して構成されることが好ましい。これにより、平均粒子径が大きな粒子同士の隙間に平均粒子径が小さな粒子が入り込むことができるので、アノードガス拡散層14Aの全体の多孔度を60%以下にすることが容易になる。充填構造を作成しやすい導電性粒子としては、グラファイトが挙げられる。従って、導電性粒子は、アセチレンブラックとグラファイトとを混合して構成されることが好ましい。 Moreover, it is preferable that electroconductive particle is comprised by mixing two types of carbon materials from which an average particle diameter differs. As a result, particles having a small average particle diameter can enter the gaps between particles having a large average particle diameter, so that the overall porosity of the anode gas diffusion layer 14A can be easily reduced to 60% or less. Examples of the conductive particles that can easily form a filling structure include graphite. Therefore, the conductive particles are preferably configured by mixing acetylene black and graphite.
また、高分子樹脂としては、PTFE(ポリテトラフルオロエチレン)、FEP(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)、PVDF(ポリビニリデンフルオライド)、ETFE(テトラフルオロエチレン・エチレン共重合体)、PCTFE(ポリクロロトリフルオロエチレン)、PFA(テトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体)などが挙げられる。これらの中でも前記高分子樹脂としてPTFEが使用されることが、耐熱性、撥水性、耐薬品性の観点から好ましい。PTFEの原料形態としては、ディスパージョン、粉末状などがあげられる。それらの中でもディスパージョンがPTFEの原料形態として採用されることが、作業性の観点から好ましい。 In addition, as the polymer resin, PTFE (polytetrafluoroethylene), FEP (tetrafluoroethylene / hexafluoropropylene copolymer), PVDF (polyvinylidene fluoride), ETFE (tetrafluoroethylene / ethylene copolymer), PCTFE (polychlorotrifluoroethylene), PFA (tetrafluoroethylene / perfluoroalkyl vinyl ether copolymer) and the like can be mentioned. Among these, it is preferable from the viewpoint of heat resistance, water repellency, and chemical resistance that PTFE is used as the polymer resin. Examples of the raw material form of PTFE include dispersion and powder. Among these, it is preferable from the viewpoint of workability that the dispersion is adopted as a raw material form of PTFE.
なお、本発明は本実施の形態に限定されるものではなく、その他種々の態様で実施できる。例えば、アノードガス拡散層14A及びカソードガス拡散層14Cには、導電性粒子及び高分子樹脂以外に、アノードガス拡散層14A及びカソードガス拡散層14Cの製造時に使用する界面活性剤及び分散溶媒などが微量含まれていても良い。分散溶媒としては、例えば、水や、メタノール、エタノールなどのアルコール類、エチレングリコールなどにグリコール類が挙げられる。界面活性剤としては、例えば、ポリオキシエチレンアルキルエーテルなどのノニオン系、アルキルアミンオキシドなどの両性イオン系が挙げられる。 In addition, this invention is not limited to this Embodiment, It can implement in another various aspect. For example, in the anode gas diffusion layer 14A and the cathode gas diffusion layer 14C, in addition to the conductive particles and the polymer resin, a surfactant, a dispersion solvent, and the like that are used when the anode gas diffusion layer 14A and the cathode gas diffusion layer 14C are manufactured. A trace amount may be contained. Examples of the dispersion solvent include water, alcohols such as methanol and ethanol, and glycols such as ethylene glycol. Examples of the surfactant include nonionic compounds such as polyoxyethylene alkyl ethers and zwitterionic compounds such as alkylamine oxides.
製造時に使用する分散溶媒の量及び界面活性剤の量は、導電性粒子の種類、高分子樹脂の種類、それらの配合比率などに応じて適宜設定すれば良い。なお、一般的には、分散溶媒の量及び界面活性剤の量が多いほど、導電性粒子と高分子樹脂とが均一に分散しやすい一方で、流動性が高くなり、ガス拡散層のシート化が難しくなる傾向がある。 What is necessary is just to set suitably the quantity of the dispersion solvent used at the time of manufacture, and the quantity of surfactant according to the kind of electroconductive particle, the kind of polymer resin, those compounding ratios, etc. In general, the larger the amount of the dispersion solvent and the amount of the surfactant, the more easily the conductive particles and the polymer resin are uniformly dispersed, but the fluidity becomes higher and the gas diffusion layer is formed into a sheet. Tend to be difficult.
また、アノードガス拡散層14A及びカソードガス拡散層14Cには、それらに含まれる高分子樹脂よりも少ない重量(基材としては成立しない重量)の炭素繊維が含まれても良い。すなわち、アノードガス拡散層14A及びカソードガス拡散層14Cは、導電性粒子と高分子樹脂とを主成分とし、基材としては成立しない重量の炭素繊維が添加されたシート状で且つゴム状の多孔質部材で構成されても良い。この場合、炭素繊維を基材として使用しないので、燃料電池の低コスト化を図ることができる。また、炭素繊維は補強効果があるので、炭素繊維の配合比率を高くすることによって、強度の高いガス拡散層を製造することができる。これにより、バインダーとして作用する高分子樹脂の配合量を少なくすることが可能となる。 Further, the anode gas diffusion layer 14A and the cathode gas diffusion layer 14C may contain carbon fibers having a weight smaller than that of the polymer resin contained in the anode gas diffusion layer 14A and the cathode gas diffusion layer 14C. That is, the anode gas diffusion layer 14A and the cathode gas diffusion layer 14C are sheet-like and rubber-like porous materials containing conductive particles and a polymer resin as main components and added with a weight of carbon fibers that cannot be formed as a base material. You may comprise with a quality member. In this case, since carbon fiber is not used as a base material, the cost of the fuel cell can be reduced. Moreover, since carbon fiber has a reinforcing effect, a high-strength gas diffusion layer can be produced by increasing the blending ratio of carbon fiber. Thereby, it becomes possible to reduce the compounding quantity of the high molecular resin which acts as a binder.
また、絶縁体である高分子樹脂の配合比率を低くすることができるので、発電性能の向上を図ることができる。また、炭素繊維の電気伝導性により、ガス拡散層の電気伝導性を向上させることも可能となり、ガス拡散層に炭素繊維を含有させることは、薄いガス拡散層を製造するときに、特に有効である。 In addition, since the blending ratio of the polymer resin that is an insulator can be reduced, the power generation performance can be improved. In addition, the electrical conductivity of the carbon fiber also makes it possible to improve the electrical conductivity of the gas diffusion layer, and the inclusion of carbon fiber in the gas diffusion layer is particularly effective when manufacturing a thin gas diffusion layer. is there.
炭素繊維の材料としては、例えば、気相成長法炭素繊維(以下、VGCFという)、ミルドファイバー、カットファイバー、チョップファイバーなどが挙げられる。前記炭素繊維としてVGCFを使用する場合、例えば、繊維径0.15μm、繊維長15μmのものを使用すれば良い。また、前記炭素繊維としてミルドファイバー、カットファイバー、又はチョップファイバーを使用する場合、例えば、繊維径5〜20μm、繊維長20μm〜100μmであるものを使用すれば良い。 Examples of the carbon fiber material include vapor grown carbon fiber (hereinafter referred to as VGCF), milled fiber, cut fiber, and chop fiber. When VGCF is used as the carbon fiber, for example, a fiber having a fiber diameter of 0.15 μm and a fiber length of 15 μm may be used. Moreover, when using a milled fiber, a cut fiber, or a chop fiber as the carbon fiber, for example, a fiber having a fiber diameter of 5 to 20 μm and a fiber length of 20 to 100 μm may be used.
ミルドファイバー、カットファイバー、又はチョップファイバーの原料は、PAN系、ピッチ系、レイヨン系のいずれでも良い。また、前記ファイバーは、原糸(長繊維フィラメント又は短繊維ステーブル)を切断、裁断することにより作製された短繊維の束を分散させて使用することが好ましい。VGCFの繊維径が0.15μmより小さくなると、繊維強度が低下しガス拡散層の強度を保つことができなくなる。また、繊維長が15μmより大きくなると、ガス拡散層の強度を向上させることが可能となるが、プレス加工等の加圧方式による厚み調整することが困難となる。 The raw material of milled fiber, cut fiber, or chop fiber may be any of PAN, pitch, and rayon. The fiber is preferably used by dispersing a bundle of short fibers produced by cutting and cutting an original yarn (long fiber filament or short fiber stable). When the fiber diameter of VGCF is smaller than 0.15 μm, the fiber strength is lowered and the strength of the gas diffusion layer cannot be maintained. In addition, when the fiber length is greater than 15 μm, it is possible to improve the strength of the gas diffusion layer, but it is difficult to adjust the thickness by a pressing method such as press working.
また、炭素繊維のようなミルドファイバー、カットファイバー、又はチョップファイバーを用いても、同様な課題が生じることが明らかになってきた。 Moreover, it has become clear that similar problems arise even when milled fibers such as carbon fibers, cut fibers, or chop fibers are used.
また、燃料電池において、発電性能を向上させるには、発電温度、燃料極側加湿露点、空気極側加湿露点、燃料ガス利用率、空気利用率、セパレータの流路形状、触媒層の仕様等の最適化を図ることが有効である。特に、ガス拡散層を構成する物性パラメータのうち、厚さと多孔度は、電圧変動に対する感度が高い。このため、高温・低加湿の運転条件下において、発電性能を向上させるには、ガス拡散層の厚さ又は多孔度の最適化を図ることが、より有効である。 In order to improve power generation performance in fuel cells, the power generation temperature, fuel electrode side humidification dew point, air electrode side humidification dew point, fuel gas utilization rate, air utilization rate, separator channel shape, catalyst layer specifications, etc. Optimization is effective. In particular, among the physical property parameters constituting the gas diffusion layer, the thickness and porosity are highly sensitive to voltage fluctuations. For this reason, it is more effective to optimize the thickness or the porosity of the gas diffusion layer in order to improve the power generation performance under the operating conditions of high temperature and low humidification.
また、アノードガス拡散層14A及びカソードガス拡散層14Cの厚さは、100μm以上600μm以下であることが好ましい。ガス拡散層の厚さが100μmより小さい場合には、ガス拡散層の厚さが薄くなることでガス拡散性が高くなり、保水性が低下して高分子電解質膜が乾燥し、膜抵抗が増加するため発電性能が顕著に低下すると考えられる。一方、ガス拡散層の厚さが600μmより大きい場合にも、ガス拡散層の厚さが厚くなることで、ガス拡散層の内部抵抗が増加するため発電性能が顕著に低下すると考えられる。 The thickness of the anode gas diffusion layer 14A and the cathode gas diffusion layer 14C is preferably 100 μm or more and 600 μm or less. When the thickness of the gas diffusion layer is smaller than 100 μm, the gas diffusion layer becomes thin and the gas diffusibility increases, the water retention decreases, the polymer electrolyte membrane dries, and the membrane resistance increases. Therefore, it is considered that the power generation performance is significantly reduced. On the other hand, even when the thickness of the gas diffusion layer is larger than 600 μm, it is considered that the power generation performance is significantly reduced because the internal resistance of the gas diffusion layer increases due to the increase in the thickness of the gas diffusion layer.
(実施の形態1)
本発明の実施の形態1について、以下に図2に示すような方法で説明する。
(Embodiment 1)
まず、ステップs1では、平均粒子径が異なる2種類の炭素粉末(導電性粒子)と炭素繊維と高分子樹脂と界面活性剤と水(分散溶媒)を混練する(混練工程)。より具体的には、導電性粒子と高分子樹脂と炭素繊維と界面活性剤と分散溶媒とを撹拌・混練機に投入し、それらを混練して粉砕及び造粒する。この後、それらの混練物の中に高分子樹脂材料を添加してさらに分散させる。なお、高分子樹脂材料を他の材料と別に混練機に投入せずに、高分子樹脂材料を含む全ての材料を同時に混練機に投入しても良い。 First, in step s1, two types of carbon powders (conductive particles) having different average particle sizes, carbon fibers, a polymer resin, a surfactant, and water (dispersing solvent) are kneaded (kneading step). More specifically, the conductive particles, the polymer resin, the carbon fiber, the surfactant, and the dispersion solvent are put into a stirrer / kneader, kneaded, pulverized and granulated. Thereafter, the polymer resin material is added to these kneaded materials and further dispersed. Note that all the materials including the polymer resin material may be simultaneously fed into the kneader without feeding the polymer resin material separately from the other materials into the kneader.
次いで、ステップs2では、混練して得た混練物を押し出し成形し、プレス機にて圧延してシート状にする(予備圧延工程)。 Next, in step s2, the kneaded product obtained by kneading is extruded and rolled into a sheet by a press (pre-rolling step).
次いで、ステップs3では、シート状にした混練物を焼成し、当該混練物から界面活性剤と水とを除去する(焼成工程)。 Next, in step s3, the kneaded material in sheet form is fired, and the surfactant and water are removed from the kneaded material (firing step).
次いで、ステップs4では、焼成されたシートを少なくとも2種類以上重ね合わせて、プレス機の圧延力とギャップを調整して前記シートを再圧延し、当該シートの多孔度と厚さを調整する(再圧延工程)。 Next, in step s4, at least two kinds of fired sheets are superposed, the rolling force and gap of the press are adjusted, the sheet is re-rolled, and the porosity and thickness of the sheet are adjusted (re-run) Rolling process).
以下に、具体的なガス拡散層の製造方法を示す。まず、アセチレンブラック(電気化学工業株式会社製デンカブラック:登録商標)とグラファイト(和光純薬工業株式会社製)とVGCF(昭和電工製:繊維径0.15μm、繊維長15μm)を合計150g、界面活性剤(トライトンX:登録商標)7.5g、水170gをミキサーに投入する。その後、ミキサーの回転数を100rpmとして60分間、前記各材料を混練する。60分経過後、前記混練して得た混練物に高分子樹脂としてPTFEディスパージョン70g(旭硝子株式会社製AD911)を混合して、さらに5分間攪拌する。 Below, the manufacturing method of a specific gas diffusion layer is shown. First, 150 g of acetylene black (Denka Black: Denka Black: registered trademark manufactured by Denki Kagaku Kogyo Co., Ltd.), graphite (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) and VGCF (manufactured by Showa Denko: fiber diameter 0.15 μm, fiber length 15 μm), interface 7.5 g of activator (Triton X: registered trademark) and 170 g of water are put into a mixer. Then, each said material is knead | mixed for 60 minutes by setting the rotation speed of a mixer to 100 rpm. After the elapse of 60 minutes, 70 g of PTFE dispersion (AD911 manufactured by Asahi Glass Co., Ltd.) as a polymer resin is mixed with the kneaded product obtained by the kneading and further stirred for 5 minutes.
このようにして得られた混練物をミキサーの中から40g取り出し、延伸ロール機を用いてギャップを調整して圧延してシート状にする。多孔度の制御はこの材料の仕込み量、特に溶媒としての水の添加量に依存することが多い。多孔度の異なるシートを作成するには、水の添加量を変化させて作成した。 40 g of the kneaded material thus obtained is taken out from the mixer, and is rolled into a sheet by adjusting the gap using a stretching roll machine. Porosity control often depends on the amount of this material charged, particularly the amount of water added as a solvent. In order to create sheets with different porosities, the amount of water added was changed.
この後、シート状にした前記混練物をプログラム制御式の焼成炉にて300℃で30分間焼成し、前記混練物中の界面活性剤と水を除去する。界面活性剤と水を除去した前記混練物を焼成炉から取り出し、多孔度の異なるガス拡散層を少なくとも2種類以上を重ねて、さらに延伸ロール機を用いて圧延力とギャップを調整して圧延し、厚さ調整及び厚さバラツキの低減を行った後、6cm角に裁断する。このようにして、厚さの異なるゴム状のガス拡散層を製造する。これにより、所望の多孔度及び厚さを有するガス拡散層を製造することができる。 Thereafter, the kneaded material in sheet form is baked at 300 ° C. for 30 minutes in a program-controlled baking furnace to remove the surfactant and water in the kneaded material. The kneaded product from which the surfactant and water have been removed is taken out of the firing furnace, and at least two kinds of gas diffusion layers having different porosities are stacked, and further rolled using a drawing roll machine to adjust the rolling force and gap. Then, after adjusting the thickness and reducing the thickness variation, it is cut into a 6 cm square. In this way, rubber-like gas diffusion layers having different thicknesses are produced. Thereby, a gas diffusion layer having a desired porosity and thickness can be manufactured.
表1に実施の形態1で作成したガス拡散層サンプル3種類(aからc)のステップs2での膜厚とステップs4での膜厚と多孔度を示した。 Table 1 shows the film thickness at step s2, the film thickness at step s4, and the porosity of the three types (a to c) of gas diffusion layer samples prepared in the first embodiment.
なお、ガス拡散層の製造方法は、前記方法に限定されるものではなく、他の方法であっても良い。例えば、前記混練物をロールプレス機又は平板プレス機などで圧延してシート状の多孔質部材を作製したが、本発明はこれに限定されない。 In addition, the manufacturing method of a gas diffusion layer is not limited to the said method, Another method may be sufficient. For example, the kneaded material is rolled with a roll press or a flat plate press to produce a sheet-like porous member, but the present invention is not limited to this.
例えば、前記混練物を押し出し機に投入し、押し出し機のダイヘッドから連続的にシート成形して、シート状の多孔質部材を作製することもできる。また、押し出し機が備えるスクリューの形状を工夫して、当該スクリューに混練機能を持たせることにより、前記混練機を使用せずに前記混練物を得ることができる。すなわち、前記各カーボン材料の撹拌、混練、シート成形を一台の機械で一体的に行うことができる。 For example, the kneaded material can be charged into an extruder and continuously formed from a die head of the extruder to produce a sheet-like porous member. Moreover, the kneaded product can be obtained without using the kneader by devising the shape of the screw provided in the extruder and giving the screw a kneading function. That is, stirring, kneading, and sheet forming of each carbon material can be performed integrally with a single machine.
一方の製造方法は、具体的には次のような方法である。 One manufacturing method is specifically as follows.
まず、上述の通り、ミキサーで混練して得た混練物を押出成形機(2軸フルフライトスクリューの長さ50cm、Tダイの幅7cm、スリットギャップ1mm)を用い、幅7cmのシート状に成形した後、圧延ロールにて所望の膜厚にした後、プログラム制御式の焼成炉にて300℃で30分間焼成し、前記混練物中の界面活性剤と水を除去する。界面活性剤と水を除去した前記混練物を焼成炉から取り出し、延伸ロール機のギャップを調整して再圧延し、厚さ調整及び厚さバラツキの低減を行う。この後、再圧延した前記混練物を6cm角に裁断する。
First, as described above, the kneaded product obtained by kneading with a mixer is formed into a sheet having a width of 7 cm using an extrusion molding machine (biaxial full flight screw length 50 cm, T die width 7 cm, slit
また、他方の製造方法は具体的には次のような方法である。まず、実施の形態1と同じ組成の材料を、ミキサーに代えて押出成形機(2軸フルフライトスクリューの長さ100cm、Tダイの幅7cm、ギャップ1mm)を用いて混練し、押し出し、且つ所望の厚みのシートに成形する。 The other manufacturing method is specifically the following method. First, a material having the same composition as in the first embodiment is kneaded using an extruder (biaxial full flight screw length: 100 cm, T-die width: 7 cm, gap: 1 mm) instead of the mixer, extruded, and desired Is formed into a sheet having a thickness of 1 mm.
この後、シート状にした混練物を、プログラム制御式の焼成炉にて300℃で30分間焼成し、前記混練物中の界面活性剤と水を除去する。界面活性剤と水を除去した前記混練物を焼成炉から取り出し、延伸ロール機の圧延力とギャップを調整して再圧延し、厚さ調整及び厚さバラツキの低減を行う。この後、再圧延した前記混練物を6cm角に裁断する。このようにして、所望の多孔度と厚さを有するガス拡散層を得た。 Thereafter, the kneaded material in sheet form is baked at 300 ° C. for 30 minutes in a program-controlled baking furnace to remove the surfactant and water in the kneaded material. The kneaded product from which the surfactant and water have been removed is taken out from the firing furnace, adjusted again by adjusting the rolling force and gap of the drawing roll machine, and adjusted in thickness and reduced in thickness variation. Thereafter, the re-rolled kneaded product is cut into a 6 cm square. In this way, a gas diffusion layer having a desired porosity and thickness was obtained.
次に、ガス拡散層の多孔度の測定方法(算出方法)について説明する。まず、ガス拡散層を構成する各材料の真密度と組成比率から、製造したガス拡散層の真密度を算出する。次いで、製造したガス拡散層の重量、厚さ、縦横寸法を測定して、製造したガス拡散層の密度を算出する。次いで、多孔度=(ガス拡散層の密度)/(真密度)×100の式に、前記算出したガス拡散層の密度及び真密度を代入し、多孔度を算出する。 Next, a method for measuring (calculating) the porosity of the gas diffusion layer will be described. First, the true density of the manufactured gas diffusion layer is calculated from the true density and composition ratio of each material constituting the gas diffusion layer. Next, the weight, thickness, vertical and horizontal dimensions of the manufactured gas diffusion layer are measured, and the density of the manufactured gas diffusion layer is calculated. Next, the porosity is calculated by substituting the calculated density and true density of the gas diffusion layer into the equation of porosity = (density of gas diffusion layer) / (true density) × 100.
以上のようにして、製造したガス拡散層の多孔度を測定することができる。なお、製造したガス拡散層の細孔径分布を、水銀ポロシメータを用いて測定したところ、累積細孔量から算出できる多孔度と、前記のようにして算出した多孔度とが一致していることを確認している。 As described above, the porosity of the produced gas diffusion layer can be measured. When the pore size distribution of the produced gas diffusion layer was measured using a mercury porosimeter, it was confirmed that the porosity calculated from the cumulative pore volume was consistent with the porosity calculated as described above. I have confirmed.
次に、ガス拡散層の内部抵抗(電気伝導性)の測定方法について説明する。まず、各サンプルを直径4cmになるように型抜きする。次いで、各サンプルにそれぞれ、圧縮試験機(島津製作所製、EZ−graph)を用いて圧力(面圧)が1.5kg/cm2になるように圧縮荷重をかける。この状態で、交流4端子法式抵抗計(鶴賀電機製、MODEL3566)を用いて内部抵抗値[mΩ・cm2]を測定する。
Next, a method for measuring the internal resistance (electric conductivity) of the gas diffusion layer will be described. First, each sample is punched to have a diameter of 4 cm. Next, a compression load is applied to each sample using a compression tester (manufactured by Shimadzu Corporation, EZ-graph) so that the pressure (surface pressure) is 1.5 kg /
上述のガス拡散層の製造と同時、あるいは、それに続いて、高分子電解質膜(Dupont社製Nafion112:登録商標)の両面に、触媒層として、白金坦持カーボン(田中貴金属社製TEC10E50E)とイオン交換樹脂(旭硝子株式会社製Flemion:登録商標)の混合物を塗布する。その後、当該混合物を乾燥して膜・触媒層接合体を得る。 Simultaneously with or subsequent to the production of the above gas diffusion layer, platinum supported carbon (TEC10E50E manufactured by Tanaka Kikinzoku Co., Ltd.) and ions are formed on both sides of the polymer electrolyte membrane (Dupont Nafion112: registered trademark) as a catalyst layer. A mixture of exchange resins (Flemion (registered trademark) manufactured by Asahi Glass Co., Ltd.) is applied. Thereafter, the mixture is dried to obtain a membrane / catalyst layer assembly.
なお、このとき、高分子電解質膜の大きさは15cm角とし、触媒層の大きさは5.8cm角とする。また、白金の使用量は、アノード電極側0.35mg/cm2とし、カソード電極側0.6mg/cm2とする。 At this time, the size of the polymer electrolyte membrane is 15 cm square, and the size of the catalyst layer is 5.8 cm square. The amount of platinum used is 0.35 mg / cm2 on the anode electrode side and 0.6 mg / cm2 on the cathode electrode side.
次いで、前記膜・触媒層接合体の両面に前記製造したガス拡散層を配置して、ホットプレス接合(80℃、10kgf/cm2)し、MEAを製造する。次いで、製造したMEAを一対のセパレータ(東海カーボン製)で挟み込み、この状態で位置ずれしないように締結圧力が10kgf/cm2となるまで加圧する。以上のようにして、燃料電池の単電池(セル)を製造する。
Next, the manufactured gas diffusion layer is disposed on both surfaces of the membrane / catalyst layer assembly, and hot press bonding (80 ° C., 10 kgf / cm 2) is performed to manufacture an MEA. Next, the manufactured MEA is sandwiched between a pair of separators (manufactured by Tokai Carbon Co., Ltd.) and is pressed until the fastening pressure becomes 10 kgf /
(実施の形態2)
次に、本発明の実施の形態2について、以下に図3に示すような方法で説明する。
(Embodiment 2)
Next, a second embodiment of the present invention will be described with reference to a method as shown in FIG.
同図において、まず、ステップS1では、平均粒子径が異なる2種類の炭素粉末(導電性粒子)と高分子樹脂と炭素繊維と界面活性剤と水(分散溶媒)を混練する(混練工程)。より具体的には、導電性粒子と高分子樹脂と界面活性剤と分散溶媒とを撹拌・混練機に投入し、それらを混練して粉砕及び造粒する。この後、それらの混練物の中に高分子樹脂材料を添加してさらに分散させる。なお、高分子樹脂材料を他の材料と別に混練機に投入せずに、高分子樹脂材料を含む全ての材料を同時に混練機に投入しても良い。 In the figure, first, in step S1, two types of carbon powders (conductive particles) having different average particle sizes, a polymer resin, carbon fibers, a surfactant, and water (dispersing solvent) are kneaded (kneading step). More specifically, the conductive particles, the polymer resin, the surfactant, and the dispersion solvent are put into a stirrer / kneader, kneaded, pulverized and granulated. Thereafter, the polymer resin material is added to these kneaded materials and further dispersed. Note that all the materials including the polymer resin material may be simultaneously fed into the kneader without feeding the polymer resin material separately from the other materials into the kneader.
次いで、ステップS2では、混練して得た混練物を押し出し成形し、プレス機にて圧延してシート状にする(予備圧延工程)。 Next, in step S2, the kneaded product obtained by kneading is extruded and rolled with a press to form a sheet (pre-rolling step).
次いで、ステップS3では、シートを少なくとも2種類以上重ね合わせて、プレス機の圧延力とギャップを調整して前記シートを重ね合わせた後に圧延し、当該シートの多孔度と厚さを調整する(圧延工程)。次いで、ステップS4では、重ね合わせてシート状にした混練物を焼成し、当該混練物から界面活性剤と水とを除去する(焼成工程)。 Next, in step S3, at least two kinds of sheets are superposed, the rolling force and gap of a press machine are adjusted and the sheets are superposed and rolled, and the porosity and thickness of the sheets are adjusted (rolling) Process). Next, in step S4, the kneaded material that has been superposed and formed into a sheet is fired, and the surfactant and water are removed from the kneaded material (firing step).
次いで、ステップS5では、プレス機の圧延力とギャップを調整して前記シートを圧延し、当該シートの多孔度と厚さを調整する(再圧延工程)。 Next, in step S5, the sheet is rolled by adjusting the rolling force and gap of the press, and the porosity and thickness of the sheet are adjusted (re-rolling step).
これにより、所望の多孔度及び厚さを有するガス拡散層を製造することができる。表2に実施の形態2で作成したガス拡散層サンプル2種類(d,e)のステップs2)での膜厚とステップs5での膜厚と多孔度を示した。 Thereby, a gas diffusion layer having a desired porosity and thickness can be manufactured. Table 2 shows the film thickness in step s2), the film thickness in step s5, and the porosity of the two types (d, e) of the gas diffusion layer sample prepared in the second embodiment.
予備圧延工程の後でシートを重ね合わせることで、ウエット状態での圧延工程になるので、層間の結合力が増すことと、焼成工程が1つで完結する効果を得ることができる。また、実施の形態1で焼成後に膜に発現する粘着性が得られないまま積層することで、シート間の結合力が不足する可能性が懸念される。 By superimposing sheets after the preliminary rolling process, the rolling process is performed in a wet state, so that the effect of increasing the bonding force between layers and completing the firing process in one can be obtained. Moreover, there is a concern that the bonding force between the sheets may be insufficient by laminating without sticking the adhesiveness expressed in the film after firing in the first embodiment.
以下に、実施例を示す。ここでは、アセチレンブラックとグラファイトと炭素繊維の配合比率は一定として実施の形態1と実施の形態2によって作成したガス拡散層サンプル8種類(aからh)を組み合わせて作成した燃料電池の抵抗値及び電圧値を測定した。 Examples are shown below. Here, the resistance value of the fuel cell prepared by combining eight types (a to h) of the gas diffusion layer samples prepared according to the first and second embodiments with the mixing ratio of acetylene black, graphite, and carbon fiber being constant, and The voltage value was measured.
次に、電圧値の測定方法について説明する。まず、各サンプルにそれぞれ電子負荷機(菊水電気製PLZ−4W)を接続する。アノード電極に燃料ガスとして純水素を流し、カソード電極に酸化剤ガスとして空気を流す。このとき、利用率は、それぞれ70%、40%とする。また、ガス加湿露点は、アノード電極65℃、カソード電極65℃に設定する。また、セル温度は、90℃に設定する。次いで、電流密度0.2A/cm2時の電圧値[V]を測定する。
Next, a method for measuring the voltage value will be described. First, an electronic load machine (PLZ-4W manufactured by Kikusui Electric) is connected to each sample. Pure hydrogen is supplied as a fuel gas to the anode electrode, and air is supplied as an oxidant gas to the cathode electrode. At this time, the utilization rates are 70% and 40%, respectively. The gas humidification dew point is set at an anode electrode 65 ° C. and a cathode electrode 65 ° C. The cell temperature is set to 90 ° C. Next, the voltage value [V] at a current density of 0.2 A /
以上のようにして電圧値を得た。 The voltage value was obtained as described above.
(実施例1)
ガス拡散層としては、アノードに実施の形態1で作成したサンプルa、カソードに実施の形態1で作成したサンプルaを用いて、燃料電池を作成した。
Example 1
As the gas diffusion layer, a fuel cell was prepared using the sample a prepared in the first embodiment for the anode and the sample a prepared in the first embodiment for the cathode.
(実施例2)
ガス拡散層としては、アノードに実施の形態2で作成したサンプルd、カソードに実施の形態1で作成したサンプルaを用いて、燃料電池を作成した。
(Example 2)
As the gas diffusion layer, a fuel cell was prepared by using the sample d prepared in the second embodiment for the anode and the sample a prepared in the first embodiment for the cathode.
(実施例3)
ガス拡散層としては、アノードに実施の形態1で作成したサンプルa、カソードに実施の形態2で作成したサンプルdを用いて、燃料電池を作成した。
(Example 3)
As the gas diffusion layer, a fuel cell was prepared using the sample a prepared in the first embodiment for the anode and the sample d prepared in the second embodiment for the cathode.
(実施例4)
ガス拡散層としては、アノードに実施の形態2で作成したサンプルd、カソードに実施の形態2で作成したサンプルdを用いて、燃料電池を作成した。
Example 4
As the gas diffusion layer, a fuel cell was prepared using the sample d prepared in the second embodiment for the anode and the sample d prepared in the second embodiment for the cathode.
(実施例5)
ガス拡散層としては、アノードに実施の形態1で作成したサンプルb、カソードに実施の形態1で作成したサンプルaを用いて、燃料電池を作成した。
(Example 5)
As the gas diffusion layer, a fuel cell was prepared by using the sample b prepared in the first embodiment for the anode and the sample a prepared in the first embodiment for the cathode.
(実施例6)
ガス拡散層としては、アノードに実施の形態1で作成したサンプルc、カソードに実施の形態1で作成したサンプルaを用いて、燃料電池を作成した。
(Example 6)
As the gas diffusion layer, a fuel cell was prepared by using the sample c prepared in the first embodiment for the anode and the sample a prepared in the first embodiment for the cathode.
(実施例7)
ガス拡散層としては、アノードに実施の形態1で作成したサンプルc、カソードに実施の形態2で作成したサンプルeを用いて、燃料電池を作成した。
(Example 7)
As the gas diffusion layer, a fuel cell was prepared using the sample c prepared in the first embodiment for the anode and the sample e prepared in the second embodiment for the cathode.
(比較例1)
ガス拡散層としては、SGLカーボン製25BC(厚み190μm)をアノード、カソードのそれぞれに用いて、燃料電池を作成した。
(Comparative Example 1)
As the gas diffusion layer, a fuel cell was prepared by using SBC carbon 25BC (thickness 190 μm) for each of the anode and the cathode.
表3には、ガス拡散層の途中工程のシート状混練物の厚みを変化させたときのガス拡散層の膜厚と多孔度と抵抗値と、それらガス拡散層を用いて作成した燃料電池の電圧値を示した。 Table 3 shows the film thickness, porosity, and resistance value of the gas diffusion layer when the thickness of the sheet-like kneaded material in the middle step of the gas diffusion layer is changed, and the fuel cell prepared using these gas diffusion layers. Voltage values are shown.
表3から分かるように、本実施形態に係る膜電極接合体及び燃料電池及びその製造方法によれば、ガス拡散層を導電性粒子と高分子樹脂とを主成分とした多孔質部材を少なくとも2層以上の多孔度の異なるシートを作成した後に積層して圧延しているので、ガス拡散層の保水性、撥水性を損なうことなく、薄膜化が可能となる。その結果、従来の膜電極接合体及び燃料電池に比べて、抵抗値を低く、電圧を高くすることが可能となり、発電性能を一層向上させることができる。 As can be seen from Table 3, according to the membrane electrode assembly, the fuel cell, and the manufacturing method thereof according to this embodiment, the gas diffusion layer has at least two porous members mainly composed of conductive particles and a polymer resin. Since sheets having different porosities of layers or more are prepared and then laminated and rolled, a thin film can be formed without impairing the water retention and water repellency of the gas diffusion layer. As a result, the resistance value can be lowered and the voltage can be increased as compared with the conventional membrane electrode assembly and the fuel cell, and the power generation performance can be further improved.
本発明に係る膜電極接合体及び燃料電池は、発電性能を一層向上させることができるので、例えば、自動車などの移動体、分散発電システム、家庭用のコージェネレーションシステムなどの駆動源として使用される燃料電池に有用である。 Since the membrane electrode assembly and the fuel cell according to the present invention can further improve the power generation performance, the membrane electrode assembly and the fuel cell are used, for example, as a driving source for a mobile body such as an automobile, a distributed power generation system, and a home cogeneration system. Useful for fuel cells.
1 燃料電池セル
10 膜電極接合体
11,111 高分子電解質膜
12A アノード電極
12C カソード電極
13A アノード触媒層
13C カソード触媒層
15A アノードガスケット
15C カソードガスケット
20A アノードセパレータ
20C カソードセパレータ
21A,12 燃料ガス流路
21C,122 酸化剤ガス流路
DESCRIPTION OF
Claims (12)
前記高分子電解質膜を挟んで互いに対向して配置される一対の触媒層と、
前記高分子電解質膜及び前記一対の触媒層を挟んで互いに対向して設けられるアノードガス拡散層及びカソードガス拡散層と、を有し、
前記アノードガス拡散層及び前記カソードガス拡散層は、導電性粒子と高分子樹脂とを主成分とした多孔質部材で構成され、前記多孔質部材は少なくとも2層以上の多孔度の異なるシートを積層してなる多孔質膜であること、
を特徴とする膜電極接合体。 A polymer electrolyte membrane;
A pair of catalyst layers disposed opposite to each other across the polymer electrolyte membrane;
An anode gas diffusion layer and a cathode gas diffusion layer provided opposite to each other across the polymer electrolyte membrane and the pair of catalyst layers,
The anode gas diffusion layer and the cathode gas diffusion layer are composed of a porous member mainly composed of conductive particles and a polymer resin, and the porous member is formed by laminating at least two layers having different porosity. A porous membrane formed by
A membrane electrode assembly characterized by the above.
100μm以上600μm以下である、請求項1に記載の膜電極接合体。 The thickness of the anode gas diffusion layer and the cathode gas diffusion layer is:
The membrane electrode assembly according to claim 1, which is 100 μm or more and 600 μm or less.
平均粒子径が異なる少なくとも2種類以上のカーボン材料と炭素繊維で構成されている、請求項1または2に記載の膜電極接合体。 The conductive particles contained in the anode gas diffusion layer and the cathode gas diffusion layer are:
The membrane electrode assembly according to claim 1 or 2, comprising at least two kinds of carbon materials and carbon fibers having different average particle diameters.
前記高分子樹脂よりも少ない重量の炭素繊維を含んでなる、請求項1〜3の何れか一項に記載の膜電極接合体。 The anode gas diffusion layer and the cathode gas diffusion layer are:
The membrane electrode assembly according to any one of claims 1 to 3, comprising carbon fibers having a weight less than that of the polymer resin.
それぞれ、少なくとも2層以上の多孔質部材の組み合わせで構成され、高分子電解質膜に近い側から厚み方向に多孔度が傾斜し多孔度は高く、ガス流路側に近いガス拡散層の多孔度は低く設定されてなる、請求項1〜4の何れか一項に記載の膜電極接合体。 The anode gas diffusion layer and the cathode gas diffusion layer are:
Each is composed of a combination of at least two layers of porous members, the porosity is inclined in the thickness direction from the side close to the polymer electrolyte membrane, the porosity is high, and the porosity of the gas diffusion layer near the gas flow path side is low The membrane electrode assembly according to any one of claims 1 to 4, which is set.
前記アノードガス拡散層及び前記カソードガス拡散層は、導電性粒子と高分子樹脂とを主成分とした多孔質部材で構成され、かつ、
少なくとも2層以上の多孔度の異なるシート状の多孔質部材を積層するステップと、
前記積層したシート状の多孔質部材を圧延するステップと、を含むこと、
を特徴とする膜電極接合体の製造方法。 A membrane electrode comprising an anode gas diffusion layer and a cathode gas diffusion layer provided opposite to each other with a polymer electrolyte membrane and a pair of catalyst layers arranged opposite to each other with the polymer electrolyte membrane interposed therebetween A method for manufacturing a joined body, comprising:
The anode gas diffusion layer and the cathode gas diffusion layer are composed of a porous member mainly composed of conductive particles and a polymer resin, and
Laminating at least two or more layers of sheet-like porous members having different porosities;
Rolling the laminated sheet-like porous member,
A method for producing a membrane electrode assembly, characterized in that
平均粒子径が異なる少なくとも2種類以上のカーボン材料と炭素繊維で構成されている、
請求項8に記載の膜電極接合体の製造方法。 The conductive particles contained in the anode gas diffusion layer and the cathode gas diffusion layer are:
It is composed of at least two kinds of carbon materials and carbon fibers having different average particle sizes,
The manufacturing method of the membrane electrode assembly of Claim 8.
請求項8または9に記載の膜電極接合体の製造方法。 The anode gas diffusion layer and the cathode gas diffusion layer contain carbon fibers having a weight less than that of the polymer resin.
The manufacturing method of the membrane electrode assembly of Claim 8 or 9.
高分子電解質膜に近い側から厚み方向に多孔度が傾斜し多孔度は高く、ガス流路側に近いガス拡散層の多孔度は低く設定されている、
請求項8〜10の何れか一項に記載の膜電極接合体の製造方法。 The anode gas diffusion layer and the cathode gas diffusion layer are each composed of a combination of at least two porous members, and
The porosity is inclined in the thickness direction from the side close to the polymer electrolyte membrane and the porosity is high, and the porosity of the gas diffusion layer near the gas flow path side is set low.
The manufacturing method of the membrane electrode assembly as described in any one of Claims 8-10.
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