JP2014086133A - Gas diffusion layer for fuel cell and production method therefor, and fuel cell - Google Patents

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Tsutomu Kawashima
川島  勉
Hiroyuki Nagai
宏幸 永井
Masaru Kashiwabara
勝 柏原
Toshiya Hiramatsu
俊哉 平松
Takehiro Okanishi
岳太 岡西
Jun Ishikawa
潤 石川
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fuel cell in which power generation performance can be enhanced furthermore, when using a gas diffusion layer composed of a porous member containing conductive particles and polymer resin, as main components.SOLUTION: A fuel cell includes: an electrolyte membrane; an electrode layer formed on the principal surface of the electrolyte membrane; a gas diffusion layer arranged in contact with the electrode layer and composed of a porous member containing conductive particles and polymer resin, as main components, and having a plurality of holes extending from the principal surface thereof; and a pair of separators arranged on the outside of the gas diffusion layer. The plurality of holes are formed at positions corresponding the passages of the separators.

Description

本発明は、燃料電池用ガス拡散層およびその製造方法、並びに燃料電池セルに関する。   The present invention relates to a gas diffusion layer for a fuel cell, a method for producing the same, and a fuel cell.

従来より、燃料電池や電気二重層コンデンサなどの拡散層用部材(「電極」を構成する部材)は、拡散膜を用いて製造される。この拡散膜は、未焼成ポリテトラフルオロエチレン、焼成ポリテトラフルオロエチレンおよび導電性物質を含有していることが知られる(例えば、特許文献1参照)。   Conventionally, diffusion layer members (members constituting “electrodes”) such as fuel cells and electric double layer capacitors are manufactured using diffusion films. This diffusion film is known to contain unfired polytetrafluoroethylene, fired polytetrafluoroethylene, and a conductive substance (see, for example, Patent Document 1).

また、燃料電池のガス拡散層において、該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で構成する燃料電池用ガス拡散層についても知られる(例えば、特許文献2参照)。特許文献2におけるガス拡散層を用いた燃料電池は、ガス加湿露点を、アノードについて摂氏65度、カソードについて摂氏35度、セル温度を摂氏90度として運転するとされる。   In addition, a gas diffusion layer for a fuel cell is also known in which a gas diffusion layer of a fuel cell includes a porous member mainly composed of conductive particles and a polymer resin (for example, Patent Document 2). reference). The fuel cell using the gas diffusion layer in Patent Document 2 is operated with a gas humidification dew point of 65 degrees Celsius for the anode, 35 degrees Celsius for the cathode, and a cell temperature of 90 degrees Celsius.

特開2003−187809号公報Japanese Patent Laid-Open No. 2003-187809 国際公開第2010/050219号(段落0084)International Publication No. 2010/050219 (paragraph 0084)

上述のように、従来の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るガス拡散層を備えた燃料電池において、近年、発電性能のさらなる向上が求められている。   As described above, in recent years, further improvement in power generation performance has been demanded in a fuel cell including a gas diffusion layer composed of a porous member mainly composed of conductive particles and a polymer resin.

本発明は、上記従来の課題に鑑みてなされたものであり、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るガス拡散層において、これを燃料電池セルに用いた場合の発電性能を更に向上することが可能な、燃料電池用ガス拡散層およびその製造方法、並びに燃料電池セルを提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above-described conventional problems, and used in a fuel cell in a gas diffusion layer composed of a porous member mainly composed of conductive particles and a polymer resin. An object of the present invention is to provide a gas diffusion layer for a fuel cell, a method for producing the same, and a fuel cell, which can further improve the power generation performance in the case.

上記課題を解決するために、本発明の燃料電池用ガス拡散層およびその製造方法、並びに燃料電池セルは、それぞれ以下の解決手段を有する。   In order to solve the above-mentioned problems, the gas diffusion layer for a fuel cell, the method for producing the same, and the fuel cell of the present invention each have the following solutions.

〔1〕本願の燃料電池用ガス拡散層は、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、多孔質部材の主面から延びる孔が複数形成されてなる燃料電池用ガス拡散層において、燃料電池用ガス拡散層の主面は、複数の領域を有し、複数の領域の各々の領域において、孔は等ピッチ間隔で形成されてなる。   [1] The gas diffusion layer for a fuel cell of the present application is composed of a porous member mainly composed of conductive particles and a polymer resin, and a fuel cell in which a plurality of holes extending from the main surface of the porous member are formed. In the gas diffusion layer for fuel, the main surface of the gas diffusion layer for fuel cell has a plurality of regions, and holes are formed at equal pitch intervals in each of the plurality of regions.

〔2〕上記〔1〕において、多孔質部材は、第1層と、第1層と接して第1層よりも撥水性の高い第2層とで構成され、孔は、第1層を貫通して形成される。   [2] In the above [1], the porous member is composed of a first layer and a second layer in contact with the first layer and having higher water repellency than the first layer, and the hole penetrates the first layer. Formed.

〔3〕上記〔2〕において、孔は、第2層を貫通しないように形成されてなる。   [3] In the above [2], the hole is formed so as not to penetrate the second layer.

〔4〕本願の燃料電池用ガス拡散層の製造方法は、導電性粒子、高分子樹脂、及び、界面活性剤を分散溶媒と混練して混練物を生成し、混練物を圧延および成形してシート状の混練物とした後、シート状の混練物を、第1の熱処理温度で熱処理してシート状の混練物から界面活性剤と分散溶媒とを除去することで第1層を形成する。次いで、第1層に、第1層を貫通する孔を複数形成する工程を、含み、複数の孔を形成する際、第1層の主面に複数の領域を設け、複数の領域のそれぞれの領域内において、等ピッチ間隔で孔を形成する。   [4] A method for producing a gas diffusion layer for a fuel cell according to the present application includes kneading a conductive particle, a polymer resin, and a surfactant with a dispersion solvent to form a kneaded product, and rolling and molding the kneaded product. After forming the sheet-like kneaded product, the sheet-like kneaded product is heat-treated at a first heat treatment temperature to remove the surfactant and the dispersion solvent from the sheet-like kneaded product, thereby forming the first layer. Next, the first layer includes a step of forming a plurality of holes penetrating the first layer. When forming the plurality of holes, a plurality of regions are provided on the main surface of the first layer, and each of the plurality of regions is provided. Holes are formed at equal pitch intervals in the region.

〔5〕上記〔4〕において、導電性粒子、高分子樹脂、及び、界面活性剤と分散溶媒とを混ぜて分散液を生成し、複数の孔を形成する前の第1層上に分散液を塗工および乾燥して第1層よりも薄い分散液層を形成した後、分散液層が形成された第1層を、第1熱処理温度よりも低い第2熱処理温度で熱処理して分散液層から界面活性剤と分散溶媒とを除去して、第1層の上に第1層よりも撥水性の高い第2層を形成する工程を含む。このとき、第1層に複数の孔を形成する際、複数の孔は第2層をも貫通するように形成されてなる。   [5] In the above [4], the conductive particles, the polymer resin, and the surfactant and the dispersion solvent are mixed to form a dispersion, and the dispersion is formed on the first layer before forming a plurality of holes. Is applied and dried to form a dispersion layer thinner than the first layer, and then the first layer on which the dispersion layer is formed is heat-treated at a second heat treatment temperature lower than the first heat treatment temperature. A step of removing the surfactant and the dispersion solvent from the layer to form a second layer having higher water repellency than the first layer on the first layer is included. At this time, when forming a plurality of holes in the first layer, the plurality of holes are formed so as to penetrate the second layer as well.

〔6〕上記〔4〕において、導電性粒子、高分子樹脂、及び、界面活性剤と分散溶媒とを混ぜて分散液を生成し、複数の孔を形成する前の第1層上に分散液を塗工および乾燥して第1層よりも薄い分散液層を形成した後、分散液層が形成された第1層を、第1熱処理温度よりも低い第2熱処理温度で熱処理して分散液層から界面活性剤と分散溶媒とを除去して、第1層の上に第1層よりも撥水性の高い第2層を形成する工程を含む。このとき、第1層に複数の孔を形成する際、複数の孔は第2層をも貫通しないように形成されてなる。   [6] In the above [4], the conductive particles, the polymer resin, and the surfactant and the dispersion solvent are mixed to form a dispersion, and the dispersion is formed on the first layer before forming a plurality of holes. Is applied and dried to form a dispersion layer thinner than the first layer, and then the first layer on which the dispersion layer is formed is heat-treated at a second heat treatment temperature lower than the first heat treatment temperature. A step of removing the surfactant and the dispersion solvent from the layer to form a second layer having higher water repellency than the first layer on the first layer is included. At this time, when forming a plurality of holes in the first layer, the plurality of holes are formed so as not to penetrate the second layer.

〔7〕本願の燃料電池セルは、電解質膜と、電解質膜の主面に形成される電極層と、電極層に接して配置され、かつ、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ると共に、その主面から延びる複数の孔が形成されるガス拡散層と、ガス拡散層の外側に配置される一対のセパレータと、を備え、複数の孔は、セパレータの流路に対応する位置に形成されてなる。   [7] The fuel cell of the present application is composed of an electrolyte membrane, an electrode layer formed on the main surface of the electrolyte membrane, and in contact with the electrode layer, and mainly composed of conductive particles and a polymer resin. The gas diffusion layer is formed of a porous member and has a plurality of holes extending from the main surface thereof, and a pair of separators disposed outside the gas diffusion layer. It is formed at a position corresponding to the flow path.

〔8〕上記〔7〕において、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る第1層と、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、第1層と接して形成されると共に第1層よりも撥水性の高い第2層とを有し、複数の孔は、第1層を貫通するように形成されている。   [8] In the above [7], the gas diffusion layer is composed of a first layer composed of a porous member mainly composed of conductive particles and a polymer resin, and the conductive particles and the polymer resin as main components. And a second layer that is formed in contact with the first layer and has a higher water repellency than the first layer, and the plurality of holes penetrate the first layer. Is formed.

〔9〕上記〔8〕において、複数の孔は、第2層を貫通しないように形成されてなる。   [9] In the above [8], the plurality of holes are formed so as not to penetrate the second layer.

このような構成により、本願の燃料電池用ガス拡散層およびその製造方法、並びに燃料電池セルは、後述する発明の効果を奏する。   With such a configuration, the gas diffusion layer for a fuel cell, the manufacturing method thereof, and the fuel cell of the present application have the effects of the invention described below.

本発明によれば、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るガス拡散層を燃料電池に用いた場合の発電性能を更に向上することができる。また、燃料電池セルについても、ガス拡散層の孔をセパレータの流路に対応する位置に形成しているため、燃料電池の発電性能を更に向上することができる。更に、燃料電池用ガス拡散層の製造方法についても、発電性能の向上に起因できる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the electric power generation performance at the time of using for a fuel cell the gas diffusion layer comprised with the porous member which has electroconductive particle and polymer resin as a main component can be improved further. In addition, since the holes of the gas diffusion layer are formed at positions corresponding to the flow paths of the separators, the power generation performance of the fuel cell can be further improved. Furthermore, the method for producing the fuel cell gas diffusion layer can also be attributed to the improvement in power generation performance.

第1実施形態にかかるガス拡散層の概略構成の一例を示す断面図Sectional drawing which shows an example of schematic structure of the gas diffusion layer concerning 1st Embodiment 第1実施形態にかかるガス拡散層の製造方法の一例を示すフローチャートを示す図The figure which shows the flowchart which shows an example of the manufacturing method of the gas diffusion layer concerning 1st Embodiment. 第1実施例にかかる膜電極ガス拡散層接合体の概略構成を示す断面図Sectional drawing which shows schematic structure of the membrane electrode gas diffusion layer assembly concerning 1st Example 第1実施例にかかるガス拡散層の概略構成を模式的に示す平面図The top view which shows typically schematic structure of the gas diffusion layer concerning 1st Example 第2実施形態にかかるガス拡散層の概略構成の一例を示す断面図Sectional drawing which shows an example of schematic structure of the gas diffusion layer concerning 2nd Embodiment 第2実施形態にかかるガス拡散層の製造方法の一例を示すフローチャートを示す図The figure which shows the flowchart which shows an example of the manufacturing method of the gas diffusion layer concerning 2nd Embodiment. 第2実施例にかかる膜電極ガス拡散層接合体の概略構成を示す断面図Sectional drawing which shows schematic structure of the membrane electrode gas diffusion layer assembly concerning 2nd Example 第3実施形態における孔のピッチを説明する模式図The schematic diagram explaining the pitch of the hole in 3rd Embodiment 第4実施形態にかかるガス拡散層の概略構成の一例を示す断面図Sectional drawing which shows an example of schematic structure of the gas diffusion layer concerning 4th Embodiment 第4実施形態にかかるガス拡散層の製造方法の一例を示すフローチャートを示す図The figure which shows the flowchart which shows an example of the manufacturing method of the gas diffusion layer concerning 4th Embodiment. 第5実施形態における孔のピッチを説明する模式図The schematic diagram explaining the pitch of the hole in 5th Embodiment 第5実施形態における孔のピッチを説明する断面模式図Cross-sectional schematic diagram illustrating the pitch of holes in the fifth embodiment 第6〜8実施例における燃料電池セルの、ガス拡散層の孔とセパレータの流路の関係を表した模式図The schematic diagram showing the relationship between the hole of a gas diffusion layer and the flow path of a separator of the fuel battery cell in 6th-8th Example 第5〜7比較例における燃料電池セルの、ガス拡散層の孔とセパレータの流路の関係を表した模式図The schematic diagram showing the relationship between the hole of a gas diffusion layer and the flow path of a separator of the fuel battery cell in the fifth to seventh comparative examples 燃料電池スタックを説明する模式図Schematic diagram explaining the fuel cell stack

(本発明に対する発明者らの知見)
本発明者らは、上記課題を解決すべく、鋭意検討を行った。その結果、以下の知見を得た。
(Inventors' knowledge about the present invention)
The present inventors have intensively studied to solve the above problems. As a result, the following knowledge was obtained.

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るガス拡散層は、カーボンペーパなどの基材を用いたガス拡散層に比べ、透気度(air permeance)が低い。そのため、触媒層(電極)で発生する水分が、ガス拡散層を通って拡散しにくく、電解質膜および触媒層は乾燥しにくくなる。   A gas diffusion layer composed of a porous member mainly composed of conductive particles and a polymer resin has a lower air permeability than a gas diffusion layer using a base material such as carbon paper. Therefore, moisture generated in the catalyst layer (electrode) is difficult to diffuse through the gas diffusion layer, and the electrolyte membrane and the catalyst layer are difficult to dry.

このことから、本発明者らは、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るガス拡散層は、電極に供給されるガスの露点を燃料電池の温度よりも低くして運転する、所謂、低加湿運転に適している知見を得た。なお、低加湿運転は、加湿器を不要にでき、加湿器を要する場合であっても、小型化できる点で好ましい。   Therefore, the present inventors have found that the gas diffusion layer composed of a porous member mainly composed of conductive particles and a polymer resin has a dew point of the gas supplied to the electrode higher than the temperature of the fuel cell. The knowledge which is suitable for the so-called low humidification operation which operates at a low temperature was obtained. Note that the low humidification operation is preferable in that a humidifier can be dispensed with, and even when a humidifier is required, the size can be reduced.

このように、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るガス拡散層は、透気度が低く、電解質膜が乾燥し難いことから、これまで低加湿運転を前提として開発されてきた。しかしながら、本発明者らは、かかるガス拡散層を用いた燃料電池において、燃料電池の起動や停止等の過酷な条件で運転を繰り返すと、該ガス拡散層が変形する場合があることに気づいた。その原因を検討した結果、例えば、燃料電池の温度が室温程度と低い状態から起動させる際に、特にガス拡散層が変形しやすいことが判明した。その理由は、以下の通りと考えられる。   As described above, the gas diffusion layer composed of a porous member mainly composed of conductive particles and a polymer resin has low air permeability and the electrolyte membrane is difficult to dry. It has been developed as a premise. However, the present inventors have noticed that in a fuel cell using such a gas diffusion layer, when the operation is repeated under severe conditions such as starting and stopping of the fuel cell, the gas diffusion layer may be deformed. . As a result of examining the cause, it has been found that, for example, when the fuel cell is started from a low temperature of about room temperature, the gas diffusion layer is particularly easily deformed. The reason is considered as follows.

燃料電池のカソード側の触媒層において、アノード側から高分子電解質膜を通過して到達したプロトンと、カソード側のガス拡散層を通じて供給される酸素との間で化学反応が起こる。この反応により、水分子が複数個結合した微粒子、所謂、ミストが生成される。   In the catalyst layer on the cathode side of the fuel cell, a chemical reaction occurs between protons that have passed through the polymer electrolyte membrane from the anode side and oxygen supplied through the gas diffusion layer on the cathode side. By this reaction, fine particles in which a plurality of water molecules are bonded, so-called mist, are generated.

ミストは、拡散によって触媒層からガス拡散層に移動する。燃料電池の温度が低い場合には、ミストの運動エネルギーは低い。このため、ミストの一部は、触媒層とガス拡散層との境界において、ガス拡散層に付着する。該付着したミストを核として、次々にミストが凝集し、その結果、触媒層とガス拡散層との境界に、局所的に液体の水が溜まる領域が生じる。水の溜まった領域は水圧を発生し、該水圧によりガス拡散層が押し上げられ、ガス拡散層が触媒層から剥離し変形する。   The mist moves from the catalyst layer to the gas diffusion layer by diffusion. When the temperature of the fuel cell is low, the kinetic energy of the mist is low. For this reason, part of the mist adheres to the gas diffusion layer at the boundary between the catalyst layer and the gas diffusion layer. Using the attached mist as a nucleus, the mist aggregates one after another, and as a result, a region where liquid water is locally accumulated is formed at the boundary between the catalyst layer and the gas diffusion layer. The water accumulation region generates water pressure, and the gas diffusion layer is pushed up by the water pressure, and the gas diffusion layer peels off from the catalyst layer and deforms.

かかる変形が進むと、ガス拡散層が破れて触媒層がガス流路に露出し、電解質膜の乾燥と劣化が加速する場合もある。   As the deformation progresses, the gas diffusion layer is broken and the catalyst layer is exposed to the gas flow path, and drying and deterioration of the electrolyte membrane may be accelerated.

すなわち、従来より、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るガス拡散層を燃料電池に用いた場合には、低加湿運転が行われるため、燃料電池内部での水過剰は発生せず、触媒層とガス拡散層との境界で発生した水の排出を考慮する必要もないと考えられてきた。   That is, conventionally, when a gas diffusion layer composed of a porous member mainly composed of conductive particles and a polymer resin is used in a fuel cell, a low humidification operation is performed. It has been considered that there is no need to consider the discharge of water generated at the boundary between the catalyst layer and the gas diffusion layer.

しかしながら、本発明者らの検討により、低加湿運転が行われる場合であっても、例えば、起動時に燃料電池の温度が室温程度と低い場合には、触媒層とガス拡散層との境界で発生した水がガス拡散層の変形等の問題を引き起こすことが判明した。上述の本発明者らの知見は、従来にない新規な知見である。   However, even when a low humidification operation is performed according to the study by the present inventors, for example, when the temperature of the fuel cell is as low as about room temperature at start-up, it occurs at the boundary between the catalyst layer and the gas diffusion layer. Water was found to cause problems such as deformation of the gas diffusion layer. The above-mentioned knowledge of the present inventors is a novel knowledge that has not existed before.

かかる新規な知見を端緒として、本発明者らは更に検討を加えた。その結果、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るガス拡散層においても、ガス拡散層の主面から延びる孔を複数形成することにより、該ガス拡散層が変形する可能性を低減できることを見出した。   Beginning with such new findings, the present inventors have further studied. As a result, even in a gas diffusion layer composed of a porous member mainly composed of conductive particles and a polymer resin, the gas diffusion layer is formed by forming a plurality of holes extending from the main surface of the gas diffusion layer. It has been found that the possibility of deformation can be reduced.

この複数の孔は、ガス拡散層の厚み方向に延びる孔であってもよい。孔は、ガス拡散層の主面に垂直に延びる孔でもよい。孔は、該主面に対して斜め方向に延びる孔であってもよい。孔は、ガス拡散層を貫通してもよい。孔は、ガス拡散層を貫通していなくてもよい。孔によって、ガス拡散層と触媒層との境界からの水の排出が促進される。   The plurality of holes may be holes extending in the thickness direction of the gas diffusion layer. The hole may be a hole extending perpendicularly to the main surface of the gas diffusion layer. The hole may be a hole extending in an oblique direction with respect to the main surface. The hole may penetrate the gas diffusion layer. The hole may not penetrate the gas diffusion layer. The holes facilitate the discharge of water from the boundary between the gas diffusion layer and the catalyst layer.

よって、例えば、ガス拡散層と触媒層との境界で液水の溜まる部分が形成されにくくなり、ガスが均一に拡散しやすくなって、燃料電池の発電性能が向上する。   Therefore, for example, it is difficult to form a portion where liquid water accumulates at the boundary between the gas diffusion layer and the catalyst layer, and the gas easily diffuses uniformly, thereby improving the power generation performance of the fuel cell.

(実施の形態について)
以下、図面を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明する。
(About the embodiment)
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.

(第1実施形態)
第1実施形態の燃料電池用ガス拡散層は、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、燃料電池用ガス拡散層の主面から延びる孔が複数形成されている。
(First embodiment)
The gas diffusion layer for a fuel cell according to the first embodiment is composed of a porous member mainly composed of conductive particles and a polymer resin, and a plurality of holes extending from the main surface of the gas diffusion layer for a fuel cell are formed. Yes.

「導電性粒子と高分子樹脂とを主成分とした多孔質部材」とは、炭素繊維を基材とすることなく、導電性粒子と高分子樹脂のみで支持される構造(いわゆる自己支持体構造)を持つ多孔質部材を意味する。   “Porous member mainly composed of conductive particles and polymer resin” means a structure supported by only conductive particles and polymer resin without using carbon fiber as a base material (so-called self-supporting structure) ).

導電性粒子と高分子樹脂とで多孔質部材を製造する場合、例えば、後述するように界面活性剤と分散溶媒とを用いる。この場合、製造工程中に、焼成により界面活性剤と分散溶媒とを除去するが、十分に除去できずにそれらが多孔質部材中に残留することが有り得る。従って、「導電性粒子と高分子樹脂とを主成分とした多孔質部材」とは、導電性粒子と高分子樹脂のみで支持される構造である限り、そのようにして残留した界面活性剤と分散溶媒が多孔質部材に含まれてもよいことを意味する。   When producing a porous member with conductive particles and a polymer resin, for example, a surfactant and a dispersion solvent are used as described later. In this case, during the production process, the surfactant and the dispersion solvent are removed by firing, but they may not be sufficiently removed and may remain in the porous member. Therefore, “a porous member mainly composed of conductive particles and a polymer resin” means that the surface active agent remaining in such a manner is used as long as the structure is supported only by the conductive particles and the polymer resin. It means that a dispersion solvent may be contained in the porous member.

また、本発明の目的を達成できる範囲内であれば、導電性粒子と高分子樹脂と界面活性剤と分散溶媒以外の材料(例えば、短繊維の炭素繊維など)が多孔質部材に含まれてもよいことも意味する。   In addition, within the range in which the object of the present invention can be achieved, the porous member includes materials other than the conductive particles, the polymer resin, the surfactant, and the dispersion solvent (for example, short-fiber carbon fibers). It also means good.

燃料電池用ガス拡散層には、流路が形成されていてもよい。すなわち、燃料電池用ガス拡散層の2つの主面のうち、触媒層側と反対側の面には、流路等の凹凸が形成されていてもよい。   A flow path may be formed in the gas diffusion layer for a fuel cell. That is, of the two main surfaces of the fuel cell gas diffusion layer, irregularities such as flow paths may be formed on the surface opposite to the catalyst layer side.

「多孔質部材」とは、当該部材が、ガス拡散層を燃料電池に用いることができる程度に、ガス(燃料ガス、酸化剤ガス等)を透過させる能力を有することを意味する。   The “porous member” means that the member has an ability to permeate gas (fuel gas, oxidant gas, etc.) to such an extent that the gas diffusion layer can be used for a fuel cell.

燃料電池用ガス拡散層は、導電性粒子と高分子樹脂とが面方向に均質に分散されてなる母体(基質:matrix)で構成され(comprise)てもよい。「面方向」とは、ガス拡散層が延在(extend)する方向をいう。「面方向に均質に分散されてなる」とは、例えば、導電性粒子と高分子樹脂とが面方向に実質的に均質に分布した状態をいう。厚み方向には均質であってもなくてもよい。   The gas diffusion layer for a fuel cell may be composed of a matrix (substrate) in which conductive particles and a polymer resin are uniformly dispersed in a plane direction. The “plane direction” refers to a direction in which the gas diffusion layer extends. “To be uniformly dispersed in the plane direction” means, for example, a state in which the conductive particles and the polymer resin are substantially uniformly distributed in the plane direction. It may or may not be homogeneous in the thickness direction.

すなわち、厚み方向に積層された複数の層が形成され、それぞれの層の内部では導電性粒子と高分子樹脂とが面方向に実質的に均質に分布しており、それぞれの層の間では密度および組成等が異なっていてもよい。例えば、導電性粒子と高分子樹脂とが混練された上で成形される場合等を指すが、製法は特に限定されない。   That is, a plurality of layers stacked in the thickness direction are formed, and within each layer, the conductive particles and the polymer resin are substantially uniformly distributed in the plane direction, and the density between the layers is And the composition may be different. For example, it refers to the case where the conductive particles and the polymer resin are kneaded and then molded, but the production method is not particularly limited.

より具体的には、例えば、炭素繊維を基材として含まないことをいう。或いは例えば、炭素繊維を基材として含まず、導電性粒子と高分子樹脂とを主成分として構成されることをいう。或いは、例えば、炭素繊維を基材として含まず、導電性粒子と高分子樹脂とで支持される構造を持つことをいう。以上の点は、他の実施形態においても同様である。   More specifically, for example, it means not containing carbon fiber as a base material. Alternatively, for example, it means that carbon fiber is not included as a base material, and that conductive particles and a polymer resin are the main components. Alternatively, for example, it refers to having a structure that does not include carbon fiber as a base material and is supported by conductive particles and a polymer resin. The above points are the same in other embodiments.

上記燃料電池用ガス拡散層において、孔は、燃料電池用ガス拡散層を貫通するように形成されていてもよい。   In the fuel cell gas diffusion layer, the holes may be formed so as to penetrate the fuel cell gas diffusion layer.

第1実施形態の燃料電池用ガス拡散層の製造方法は、導電性粒子と高分子樹脂と界面活性剤と分散溶媒とを混練して均質な混練物を得て、混練物を圧延および成形してシート状混練物を得て、シート状混練物を、第1熱処理温度で熱処理してシート状混練物から界面活性剤と分散溶媒とを除去した第1層を得て、第1層に、第1層を貫通する孔を複数形成すること、を含む。   The method for producing a gas diffusion layer for a fuel cell according to the first embodiment includes kneading conductive particles, a polymer resin, a surfactant, and a dispersion solvent to obtain a homogeneous kneaded product, and rolling and molding the kneaded product. To obtain a first layer in which the surfactant and the dispersion solvent are removed from the sheet-like kneaded material by heat-treating the sheet-like kneaded material at a first heat treatment temperature. Forming a plurality of holes penetrating the first layer.

[装置構成]
図1は、第1実施の形態にかかるガス拡散層の概略構成の一例を示す断面図である。以下、図1を参照しつつ、第1実施形態の燃料電池用ガス拡散層100について説明する。
[Device configuration]
FIG. 1 is a cross-sectional view showing an example of a schematic configuration of a gas diffusion layer according to the first embodiment. Hereinafter, the gas diffusion layer 100 for a fuel cell according to the first embodiment will be described with reference to FIG.

図1に例示するように、燃料電池用ガス拡散層100は、第1層10を備える。第1実施形態は、ガス拡散層が単一の層で形成されている場合を説明する。   As illustrated in FIG. 1, the fuel cell gas diffusion layer 100 includes a first layer 10. 1st Embodiment demonstrates the case where the gas diffusion layer is formed with the single layer.

第1層10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る。第1層10には、燃料電池用ガス拡散層100の主面から延びる孔12が複数形成されている。孔12は、第1層10を貫通するように形成されている。   The first layer 10 is composed of a porous member mainly composed of conductive particles and a polymer resin. A plurality of holes 12 extending from the main surface of the fuel cell gas diffusion layer 100 are formed in the first layer 10. The hole 12 is formed so as to penetrate the first layer 10.

第1層10は、導電性粒子と高分子樹脂とが燃料電池用ガス拡散層100の面方向に均質に分散されてなる母体で構成されてもよい。   The first layer 10 may be composed of a matrix in which conductive particles and a polymer resin are uniformly dispersed in the surface direction of the fuel cell gas diffusion layer 100.

燃料電池用ガス拡散層100は、例えば、基材として炭素繊維等を用いないガス拡散層(いわゆる、基材レスGDL)として形成されうる。   The fuel cell gas diffusion layer 100 can be formed, for example, as a gas diffusion layer (a so-called substrate-less GDL) that does not use carbon fiber or the like as a substrate.

孔12の形状、数、大きさ、および配置等は特に限定されない。孔12は、例えば、略直線状の形状(直径が一定の筒状)を有していてもよい。孔12は、第1層10を貫通するように形成されている。すなわち本実施形態では、孔12は、第1層10を貫通する貫通孔である。   The shape, number, size, arrangement, and the like of the holes 12 are not particularly limited. The hole 12 may have, for example, a substantially linear shape (cylindrical shape with a constant diameter). The hole 12 is formed so as to penetrate the first layer 10. That is, in the present embodiment, the hole 12 is a through hole that penetrates the first layer 10.

孔12は、開口部の形状が円形、楕円形、三角形、および四角形等であっておよい。孔12は、例えば、第1層10を斜めに貫通していてもよい。孔12は、例えば、第1層10の一方の面における開口部が、第1層10の他方の面における開口部よりも大きくてもよい。孔12は、例えば、テーパ形状であってもよい。   The hole 12 may have a circular shape, an elliptical shape, a triangular shape, a quadrangular shape, or the like. The hole 12 may penetrate the first layer 10 obliquely, for example. For example, the opening 12 on one surface of the first layer 10 may be larger than the opening on the other surface of the first layer 10. The hole 12 may have a tapered shape, for example.

孔12の開口部の最も長い部分は、例えば30μm以上、500μm以下でもよいし、50μm以上、250μm以下でもよいし、100μm以上、230μm以下でもよい。   The longest part of the opening of the hole 12 may be, for example, 30 μm or more and 500 μm or less, 50 μm or more and 250 μm or less, or 100 μm or more and 230 μm or less.

孔12の開口部が略円形の場合、直径は、例えば30μm以上、500μm以下でもよいし、50μm以上、250μm以下でもよいし、100μm以上、230μm以下でもよい。   When the opening of the hole 12 is substantially circular, the diameter may be, for example, 30 μm or more and 500 μm or less, 50 μm or more and 250 μm or less, or 100 μm or more and 230 μm or less.

孔12の開口部の合計面積を第1層10の面積の5%以下とすることで、燃料電池用ガス拡散層100の保湿性および強度を好適なものとすることができる。孔12の開口部の合計面積を第1層10の面積の1%以下とすることで、燃料電池用ガス拡散層100の保湿性および強度をさらに好適なものとすることができる。第1層10の面積とは、第1層10の主面の面積をいう。   By setting the total area of the openings of the holes 12 to 5% or less of the area of the first layer 10, the moisture retention and strength of the fuel cell gas diffusion layer 100 can be made suitable. By setting the total area of the openings of the holes 12 to 1% or less of the area of the first layer 10, the moisture retention and strength of the fuel cell gas diffusion layer 100 can be further improved. The area of the first layer 10 refers to the area of the main surface of the first layer 10.

孔12は、例えば、隣接する列の周期が一致する格子状(grid alignment)に分布してもよいし、隣接する列の周期が半分ずれている千鳥状(zig−zag alignment)に分布してもよい。孔12は、必ずしも第1層10の全面に形成されている必要はなく、第1層10の主面の一部にのみ形成されていてもよい。孔12の配列方向は、必ずしもガス流路と平行または垂直でなくてもよい。孔12は、例えば、隣接する孔12同士の距離(孔12の中心同士の距離)が0.3mm以上、10mm以下であってもよい。同距離は、0.5mm以上、5mm以下であってもよい。同距離は、1mm以上、3mm以下であってもよい。   The holes 12 may be distributed, for example, in a grid alignment in which the periods of adjacent rows coincide with each other, or in a zig-zag alignment in which the periods of adjacent rows are shifted by half. Also good. The hole 12 is not necessarily formed on the entire surface of the first layer 10, and may be formed only on a part of the main surface of the first layer 10. The arrangement direction of the holes 12 is not necessarily parallel or perpendicular to the gas flow path. For example, the distance between the adjacent holes 12 (the distance between the centers of the holes 12) may be 0.3 mm or more and 10 mm or less. The distance may be 0.5 mm or more and 5 mm or less. The distance may be 1 mm or more and 3 mm or less.

孔12の形成方法は特に限定されない。具体的には例えば、金属等からなるニードルを突き刺すことで孔12が形成されてもよい。或いは例えば、UVレーザやCOレーザ等のレーザを用いて孔12が形成されてもよい。或いは例えば、第1層10を成形する際に用いられる型枠に貫通部材が設けられており、かかる型枠に材料を流し込むことで孔12が形成されてもよい。すなわち、孔12は、第1層10の形成と同時に形成されてもよいし、第1層10が形成された後に形成されてもよい。 The formation method of the hole 12 is not specifically limited. Specifically, for example, the hole 12 may be formed by piercing a needle made of metal or the like. Alternatively, for example, the holes 12 may be formed using a laser such as a UV laser or a CO 2 laser. Alternatively, for example, a penetrating member may be provided in a mold used when the first layer 10 is molded, and the hole 12 may be formed by pouring a material into the mold. That is, the hole 12 may be formed simultaneously with the formation of the first layer 10 or may be formed after the first layer 10 is formed.

第1層10の厚みは、例えば、100μm以上、1000μm以下とすることができる。第1層10の厚みが100μm以上であれば、第1層10の機械強度が大きくなる。第1層10の厚みが1000μm以下であれば、第1層10の電気抵抗が小さくなる。   The thickness of the 1st layer 10 can be 100 micrometers or more and 1000 micrometers or less, for example. If the thickness of the 1st layer 10 is 100 micrometers or more, the mechanical strength of the 1st layer 10 will become large. If the thickness of the 1st layer 10 is 1000 micrometers or less, the electrical resistance of the 1st layer 10 will become small.

導電性粒子としては、例えば、炭素微粉末を用いることができる。炭素微粉末としては、例えば、グラファイト、カーボンブラック、活性炭、炭素繊維微粉末等のカーボン材料が挙げられる。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、バルカン等が挙げられる。炭素繊維微粉末としては、例えば、気相成長法炭素繊維(VGCF)、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。導電性粒子として、これらの材料を単独で使用してもよく、また、複数の材料を組み合わせて使用してもよい。カーボン材料の原料形態としては、粉末状、繊維状、粒状等のいずれの形状でもよい。   For example, carbon fine powder can be used as the conductive particles. Examples of the carbon fine powder include carbon materials such as graphite, carbon black, activated carbon, and carbon fiber fine powder. Examples of carbon black include acetylene black (AB), furnace black, ketjen black, and vulcan. Examples of the carbon fiber fine powder include vapor grown carbon fiber (VGCF), milled fiber, cut fiber, and chop fiber. As the conductive particles, these materials may be used alone, or a plurality of materials may be used in combination. The raw material form of the carbon material may be any shape such as powder, fiber, and granule.

カーボンブラックと炭素繊維を混合すると、ガス拡散層の製造コスト、電気伝導性、および強度を向上させることができる。さらに、カーボンブラックとしてアセチレンブラックを用いると、不純物含有量を低減し、電気伝導性をさらに向上させることができる。   When carbon black and carbon fiber are mixed, the manufacturing cost, electrical conductivity, and strength of the gas diffusion layer can be improved. Furthermore, when acetylene black is used as carbon black, the impurity content can be reduced and the electrical conductivity can be further improved.

高分子樹脂としては、例えば、フッ素樹脂を用いることができる。フッ素樹脂としては、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)等が挙げられる。   As the polymer resin, for example, a fluororesin can be used. Fluororesin includes PTFE (polytetrafluoroethylene), FEP (tetrafluoroethylene / hexafluoropropylene copolymer), PVDF (polyvinylidene fluoride), ETFE (tetrafluoroethylene / ethylene copolymer), PCTFE (polyethylene). Chlorotrifluoroethylene), PFA (tetrafluoroethylene / perfluoroalkyl vinyl ether copolymer), and the like.

フッ素樹脂としてPTFEを用いると、耐熱性、撥水性、および、耐薬品性を向上させることができる。PTFEの原料としては、ディスパージョンおよび粉末状の形状があげられる。ディスパージョンを用いると、作業性を向上させることができる。   When PTFE is used as the fluororesin, the heat resistance, water repellency, and chemical resistance can be improved. Examples of the raw material of PTFE include a dispersion and a powdery shape. When the dispersion is used, workability can be improved.

高分子樹脂は、導電性粒子同士を結着するバインダーとしての機能を有しうる。第1層10における高分子樹脂の含有量が5重量%以上であると、高分子樹脂がバインダーとしての機能を効果的に奏する。第1層10を均一な厚さにするために圧延プロセスが採用される場合がある。第1層10における高分子樹脂の含有量が50重量%以下であると、該圧延プロセス時の条件を簡易にすることができる。第1層10における高分子樹脂の含有量が30重量%以下であると、該圧延プロセス時の条件をさらに簡易にすることができる。   The polymer resin may have a function as a binder that binds the conductive particles. When the content of the polymer resin in the first layer 10 is 5% by weight or more, the polymer resin effectively functions as a binder. A rolling process may be employed to make the first layer 10 uniform thickness. When the content of the polymer resin in the first layer 10 is 50% by weight or less, the conditions during the rolling process can be simplified. When the content of the polymer resin in the first layer 10 is 30% by weight or less, the conditions during the rolling process can be further simplified.

第1層10は、孔12が形成されていない状態における透気抵抗度(air resistance)が100秒以上であってもよい。透気抵抗度とは、単位面積および単位圧力差当たり、規定された体積(100mL)の空気が透過するのに要する時間である。本明細書における透気抵抗度はJIS−P8177:2009に基づいたガーレー試験機法(Gurley method)により求める。JIS−P8177:2009は、適用可能な透気抵抗度の範囲に制限がない他は、ISO5636−5:2003と同一である。なお、上記規格のうち、B型の装置を用いることとし、最初の50mlの標線を通過したときに測定を開始するものとする。   The first layer 10 may have an air resistance of 100 seconds or more when the hole 12 is not formed. The air resistance is a time required for permeation of a predetermined volume (100 mL) of air per unit area and unit pressure difference. The air resistance in the present specification is determined by the Gurley method based on JIS-P8177: 2009. JIS-P8177: 2009 is the same as ISO5636-5: 2003 except that the range of applicable air resistance is not limited. Of the above standards, a B-type device is used, and the measurement starts when the first 50 ml mark is passed.

第1層10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あってもよい。第1層10は、導電性粒子と高分子樹脂とを主成分とし、高分子樹脂よりも少ない重量の炭素繊維が導電性粒子として添加された多孔質部材で構成されていてもよい。多孔質部材は、炭素繊維を2.0重量%以上、7.5重量%以下含んでいてもよい。多孔質部材は、高分子樹脂を10重量%以上、17重量%以下含んでいてもよい。第1層10は、基材を含まない構成とすることができる。   The first layer 10 may be a porous member mainly composed of conductive particles and a polymer resin. The first layer 10 may be composed of a porous member containing conductive particles and a polymer resin as main components and carbon fibers having a weight less than that of the polymer resin added as conductive particles. The porous member may contain 2.0% by weight or more and 7.5% by weight or less of carbon fiber. The porous member may contain 10 wt% or more and 17 wt% or less of the polymer resin. The 1st layer 10 can be set as the structure which does not contain a base material.

本明細書において、「導電性粒子と高分子樹脂とを主成分とした多孔質部材」とは、炭素繊維を基材とすることなく、導電性粒子と高分子樹脂のみで支持される構造(いわゆる自己支持体構造)を持つ多孔質部材を意味する。導電性粒子と高分子樹脂とで多孔質部材を製造する場合、例えば、後述するように界面活性剤と分散溶媒とを用いる。   In this specification, “a porous member mainly composed of conductive particles and a polymer resin” means a structure that is supported only by conductive particles and a polymer resin without using carbon fiber as a base material ( It means a porous member having a so-called self-supporting structure. When producing a porous member with conductive particles and a polymer resin, for example, a surfactant and a dispersion solvent are used as described later.

この場合、製造工程中に、焼成により界面活性剤と分散溶媒とを除去するが、十分に除去できずにそれらが多孔質部材中に残留することが有り得る。従って、「導電性粒子と高分子樹脂とを主成分とした多孔質部材」とは、導電性粒子と高分子樹脂のみで支持される構造である限り、そのようにして残留した界面活性剤と分散溶媒が多孔質部材に含まれてもよいことを意味する。   In this case, during the production process, the surfactant and the dispersion solvent are removed by firing, but they may not be sufficiently removed and may remain in the porous member. Therefore, “a porous member mainly composed of conductive particles and a polymer resin” means that the surface active agent remaining in such a manner is used as long as the structure is supported only by the conductive particles and the polymer resin. It means that a dispersion solvent may be contained in the porous member.

また、本発明の目的を達成できる範囲内であれば、導電性粒子と高分子樹脂と界面活性剤と分散溶媒以外の材料(例えば、短繊維の炭素繊維など)が多孔質部材に含まれてもよいことも意味する。   In addition, within the range in which the object of the present invention can be achieved, the porous member includes materials other than the conductive particles, the polymer resin, the surfactant, and the dispersion solvent (for example, short-fiber carbon fibers). It also means good.

第1層10の多孔度は、42%以上、60%以下であってもよい。   The porosity of the first layer 10 may be 42% or more and 60% or less.

以下、本明細書における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見かけ真密度を算出する。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)/(見かけ真密度)×100の式に、前記算出したガス拡散層の密度及び見かけ真密度を代入し、多孔度を算出する。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。   Hereinafter, the measurement method (calculation method) of the porosity of the gas diffusion layer in this specification will be described. First, the apparent 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 of the gas diffusion layer and the apparent true density into the formula of porosity = (density of the gas diffusion layer) / (apparent true density) × 100. As described above, the porosity of the produced gas diffusion layer can be measured.

第1層10には、高分子樹脂および導電性粒子以外に、分散溶媒および界面活性剤等が含まれていてもよい。分散溶媒としては、例えば、水、メタノール、およびエタノール等のアルコール類、エチレングリコール等の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等のノニオン系界面活性剤、アルキルアミンオキシド等の両性イオン系界面活性剤等が挙げられる。   The first layer 10 may contain a dispersion solvent, a surfactant, and the like in addition to the polymer resin and the conductive particles. 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 surfactants such as polyoxyethylene alkyl ether, and zwitterionic surfactants such as alkylamine oxide.

第1層10における分散溶媒および界面活性剤の含有量は、第1層10を構成する導電性粒子および高分子樹脂の種類、高分子樹脂と導電性粒子の配合比等により適宜選択可能である。一般的には、分散溶媒および界面活性剤の含有量が多いほど、高分子樹脂と導電性粒子とが均一に分散しやすい。分散溶媒および界面活性剤の含有量を一定以下にすると、流動性が高くなり過ぎず、シート化を容易にすることができる。   The content of the dispersion solvent and the surfactant in the first layer 10 can be appropriately selected depending on the types of the conductive particles and the polymer resin constituting the first layer 10, the blending ratio of the polymer resin and the conductive particles, and the like. . In general, the higher the content of the dispersion solvent and the surfactant, the easier the polymer resin and conductive particles are uniformly dispersed. When the content of the dispersion solvent and the surfactant is set to a certain value or less, the fluidity does not become too high, and sheeting can be facilitated.

第1層10には、導電性粒子と高分子樹脂と界面活性剤と分散溶媒以外の材料(例えば、短繊維の炭素繊維など)が含まれていてもよい。   The first layer 10 may contain materials other than the conductive particles, the polymer resin, the surfactant, and the dispersion solvent (for example, short-fiber carbon fibers).

燃料電池用ガス拡散層100は、第1層10以外の層を含んでいてもよい。   The fuel cell gas diffusion layer 100 may include layers other than the first layer 10.

燃料電池用ガス拡散層100は、カソード側のガス拡散層として用いてもよいし、アノード側のガス拡散層として用いてもよいし、カソード側およびアノード側の両方のガス拡散層として用いてもよい。発電反応によって生じる水は、主としてカソード側で発生するが、水は電解質膜を通過する。よって、流路の構成およびガスの露点等を適宜に選択することで、カソードおよびアノードのいずれの側においても、孔12を通じた排水を実現しうる。   The fuel cell gas diffusion layer 100 may be used as a cathode-side gas diffusion layer, as an anode-side gas diffusion layer, or as both a cathode-side and anode-side gas diffusion layer. Good. The water generated by the power generation reaction is mainly generated on the cathode side, but the water passes through the electrolyte membrane. Therefore, drainage through the holes 12 can be realized on either the cathode or anode side by appropriately selecting the flow path configuration, gas dew point, and the like.

本実施形態は、電解質膜と、電解質膜の一方の主面に接するアノード電極層と、電解質膜の他方の主面に接するカソード電極層と、アノード電極層の主面のうち、電解質膜側と異なる側の主面に接するアノード側ガス拡散層と、カソード電極層の主面のうち、電解質膜側と異なる側の主面に接するカソード側ガス拡散層と、を備える。このとき、アノード側ガス拡散層およびカソード側ガス拡散層の少なくとも一方が、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、ガス拡散層の主面から延びる孔が複数形成され、該孔がガス拡散層を貫通するように形成されている、膜電極ガス拡散層接合体として実施されてもよい。   The present embodiment includes an electrolyte membrane, an anode electrode layer in contact with one main surface of the electrolyte membrane, a cathode electrode layer in contact with the other main surface of the electrolyte membrane, and an electrolyte membrane side of the main surfaces of the anode electrode layer, An anode side gas diffusion layer in contact with a main surface on a different side, and a cathode side gas diffusion layer in contact with a main surface on a different side from the electrolyte membrane side among the main surfaces of the cathode electrode layer. At this time, at least one of the anode side gas diffusion layer and the cathode side gas diffusion layer is composed of a porous member mainly composed of conductive particles and a polymer resin, and a plurality of holes extending from the main surface of the gas diffusion layer are provided. It may be implemented as a membrane electrode gas diffusion layer assembly formed and formed so that the hole penetrates the gas diffusion layer.

本実施形態は、電解質膜と、電解質膜の一方の主面に接するアノード電極層と、電解質膜の他方の主面に接するカソード電極層と、アノード電極層の主面のうち、電解質膜側と異なる側の主面に接するアノード側ガス拡散層と、カソード電極層の主面のうち、電解質膜側と異なる側の主面に接するカソード側ガス拡散層と、を備える。このとき、アノード側ガス拡散層およびカソード側ガス拡散層の少なくとも一方が、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、ガス拡散層の主面から延びる孔が複数形成され、該孔がガス拡散層を貫通するように形成されている、燃料電池として実施されてもよい。   The present embodiment includes an electrolyte membrane, an anode electrode layer in contact with one main surface of the electrolyte membrane, a cathode electrode layer in contact with the other main surface of the electrolyte membrane, and an electrolyte membrane side of the main surfaces of the anode electrode layer, An anode side gas diffusion layer in contact with a main surface on a different side, and a cathode side gas diffusion layer in contact with a main surface on a different side from the electrolyte membrane side among the main surfaces of the cathode electrode layer. At this time, at least one of the anode side gas diffusion layer and the cathode side gas diffusion layer is composed of a porous member mainly composed of conductive particles and a polymer resin, and a plurality of holes extending from the main surface of the gas diffusion layer are provided. It may be implemented as a fuel cell formed and formed so that the hole penetrates the gas diffusion layer.

高分子電解質膜は、好ましくは、水素イオン伝導性を有する高分子膜である。高分子電解質膜の形状は特に限定されないが、例えば、略矩形状とすることができる。高分子電解質膜の材料は、水素イオンを選択的に移動させるものであれば特に限定されない。   The polymer electrolyte membrane is preferably a polymer membrane having hydrogen ion conductivity. Although the shape of a polymer electrolyte membrane is not specifically limited, For example, it can be set as a substantially rectangular shape. The material of the polymer electrolyte membrane is not particularly limited as long as it selectively moves hydrogen ions.

高分子電解質膜としては、例えば、パーフルオロカーボンスルホン酸からなるフッ素系高分子電解質膜(例えば、米国DuPont社製のNafion(登録商標)、旭化成(株)製のAciplex(登録商標)、旭硝子(株)製のFlemion(登録商標)など)や各種炭化水素系電解質膜を使用できる。   Examples of the polymer electrolyte membrane include a fluorine-based polymer electrolyte membrane made of perfluorocarbon sulfonic acid (for example, Nafion (registered trademark) manufactured by DuPont, USA, Aciplex (registered trademark), manufactured by Asahi Kasei Corporation, Asahi Glass Co., Ltd. Flemion (registered trademark), etc.) and various hydrocarbon electrolyte membranes can be used.

電極層は、好ましくは、水素または酸素の酸化還元反応に対する触媒を含む層である。電極層は、導電性を有し、かつ水素および酸素の酸化還元反応に対する触媒能を有するものであれば特に限定されない。電極層の形状は特に限定されないが、例えば、略矩形状とすることができる。   The electrode layer is preferably a layer containing a catalyst for the redox reaction of hydrogen or oxygen. The electrode layer is not particularly limited as long as it has conductivity and has a catalytic ability for a redox reaction of hydrogen and oxygen. Although the shape of an electrode layer is not specifically limited, For example, it can be set as a substantially rectangular shape.

電極層は、例えば、白金族金属触媒を担持したカーボン粉末とプロトン導電性を有する高分子材料とを主成分とした多孔質な部材から構成される。電極層に用いるプロトン導電性高分子材料は、上記高分子電解質膜と同じ種類であっても、異なる種類であってもよい。   The electrode layer is made of, for example, a porous member mainly composed of carbon powder carrying a platinum group metal catalyst and a polymer material having proton conductivity. The proton conductive polymer material used for the electrode layer may be the same as or different from the polymer electrolyte membrane.

燃料電池用ガス拡散層100は、低加湿運転に好適に用いられるが、高加湿運転に用いてもよい。すなわち、燃料電池用ガス拡散層100が用いられる燃料電池システムには、燃料電池に供給されるガスを加湿する加湿器が設けられていてもいなくてもよい。   The fuel cell gas diffusion layer 100 is preferably used for the low humidification operation, but may be used for the high humidification operation. That is, the fuel cell system using the fuel cell gas diffusion layer 100 may or may not be provided with a humidifier that humidifies the gas supplied to the fuel cell.

第1層10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ることから、孔12以外の部分における第1層10の透気抵抗度は低い。燃料電池のカソード側の触媒層中に存在するミストを含むガスは、孔12が存在しない場合と同様に、燃料電池用ガス拡散層100を通過することが困難となる。そのため、燃料電池に供給されるガスに含まれる水蒸気の露点が燃料電池の温度に比して低い場合であっても、燃料電池用ガス拡散層100を備える燃料電池は高分子電解質膜の乾燥を防ぎながら適切に発電することができる。   Since the first layer 10 is composed of a porous member mainly composed of conductive particles and a polymer resin, the air resistance of the first layer 10 in portions other than the holes 12 is low. It is difficult for the gas containing mist present in the catalyst layer on the cathode side of the fuel cell to pass through the fuel cell gas diffusion layer 100 as in the case where the holes 12 are not present. Therefore, even when the dew point of water vapor contained in the gas supplied to the fuel cell is lower than the temperature of the fuel cell, the fuel cell including the fuel cell gas diffusion layer 100 does not dry the polymer electrolyte membrane. It can generate electricity properly while preventing it.

一方、過剰な水分は、孔12を通じて適宜に排出されることから、触媒層と第1層10との境界において、局所的に液体の水が溜まる領域が生じる可能性が低減される。よって、水の溜まった領域が発生する水圧によりガス拡散層が押し上げられる可能性が低減され、ガス拡散層が触媒層から剥離し変形する可能性が低減する。   On the other hand, since excess moisture is appropriately discharged through the holes 12, the possibility that a region in which liquid water accumulates locally at the boundary between the catalyst layer and the first layer 10 is reduced. Therefore, the possibility that the gas diffusion layer is pushed up by the water pressure at which the water accumulation region is generated is reduced, and the possibility that the gas diffusion layer is separated from the catalyst layer and deformed is reduced.

[製造方法]
図2は、第1実施形態にかかるガス拡散層の製造方法の一例を示すフローチャートである。以下、図2を参照しつつ、第1実施形態の燃料電池用ガス拡散層100の製造方法について説明する。
[Production method]
FIG. 2 is a flowchart showing an example of a method for producing a gas diffusion layer according to the first embodiment. Hereinafter, the manufacturing method of the fuel cell gas diffusion layer 100 of the first embodiment will be described with reference to FIG.

第1層10は、高分子樹脂と導電性粒子とを含む混合物を混練して、押出し、圧延してから、焼成することにより製造することができる。   The first layer 10 can be produced by kneading, extruding, rolling, and firing a mixture containing a polymer resin and conductive particles.

具体的には例えば、まず、導電性粒子と高分子樹脂と界面活性剤と分散溶媒とを混練することで、混練物が得られる(ステップS101)。混練物における導電性粒子の含有量は、例えば、10重量%以上、かつ50重量%以下とすることができる。混練物における高分子樹脂の含有量は、例えば、1重量%以上、かつ、20重量%以下とすることができる。   Specifically, for example, first, the kneaded product is obtained by kneading the conductive particles, the polymer resin, the surfactant, and the dispersion solvent (step S101). The content of the conductive particles in the kneaded product can be, for example, 10% by weight or more and 50% by weight or less. The content of the polymer resin in the kneaded product can be, for example, 1% by weight or more and 20% by weight or less.

混練物の原料となる分散溶媒としては、例えば、水、メタノールおよびエタノール等のアルコール類、エチレングリコール等のグリコール類が挙げられる。これらの中でも水を用いると、コストを低減でき、環境負荷も低減できる。   Examples of the dispersion solvent used as a raw material for the kneaded product include water, alcohols such as methanol and ethanol, and glycols such as ethylene glycol. Among these, when water is used, cost can be reduced and environmental load can also be reduced.

混練物における分散溶媒の含有量は、例えば、30重量%以上、かつ、88重量%以下とすることができる。   The content of the dispersion solvent in the kneaded product can be, for example, 30% by weight or more and 88% by weight or less.

混練物の原料となる界面活性剤としては、陰イオン界面活性剤、陽イオン界面活性剤、両性界面活性剤、非イオン界面活性剤が挙げられる。具体的には例えば、ポリオキシエチレンアルキルエーテル等のノニオン系、アルキルアミンオキシド等の両性イオン系が挙げられる。界面活性剤の除去および金属イオンによる触媒被毒防止という観点からは、界面活性剤として非イオン系界面活性剤を用いることが好ましい。非イオン系界面活性剤としては、ポリオキシエチレンアルキルエーテル、ポリオキシエチレンアルキルフェノールエーテル、アルキルグルコシド、ポリオキシエチレン脂肪酸エステル、ショ糖脂肪酸エステル、ソルビタン脂肪酸エステル、脂肪酸アルカノールアミドなどが挙げられる。   Examples of the surfactant used as a raw material for the kneaded product include an anionic surfactant, a cationic surfactant, an amphoteric surfactant, and a nonionic surfactant. Specific examples include nonionics such as polyoxyethylene alkyl ethers and zwitterionics such as alkylamine oxides. From the viewpoint of removing the surfactant and preventing catalyst poisoning by metal ions, it is preferable to use a nonionic surfactant as the surfactant. Examples of the nonionic surfactant include polyoxyethylene alkyl ether, polyoxyethylene alkylphenol ether, alkyl glucoside, polyoxyethylene fatty acid ester, sucrose fatty acid ester, sorbitan fatty acid ester, and fatty acid alkanolamide.

混練物における界面活性剤の含有量は、例えば、0.1重量%以上、かつ、5重量%以下とすることができる。   The content of the surfactant in the kneaded product can be, for example, 0.1% by weight or more and 5% by weight or less.

混練物における分散溶媒および界面活性剤の含有量は、導電性粒子および高分子樹脂の種類、高分子樹脂と導電性粒子の配合比等により適宜選択可能である。一般的には、分散溶媒および界面活性剤の含有量が多いほど、高分子樹脂と導電性粒子とが均一に分散しやすい。分散溶媒および界面活性剤の含有量を一定以下にすると、流動性が高くなり過ぎず、シート化を容易にすることができる。   The contents of the dispersion solvent and the surfactant in the kneaded product can be appropriately selected depending on the types of the conductive particles and the polymer resin, the blending ratio of the polymer resin and the conductive particles, and the like. In general, the higher the content of the dispersion solvent and the surfactant, the easier the polymer resin and conductive particles are uniformly dispersed. When the content of the dispersion solvent and the surfactant is set to a certain value or less, the fluidity does not become too high, and sheeting can be facilitated.

より詳細には、導電性粒子と分散溶媒と界面活性剤とを攪拌混錬機に投入後、混錬し、粉砕および造粒して、導電性粒子を分散溶媒中に分散させる。ついで、高分子樹脂をさらに攪拌混錬機に投下して、攪拌および混錬して、導電性粒子と高分子樹脂とを分散溶媒中に分散させる。かかる方法により、混練物が得られる。   More specifically, the conductive particles, the dispersion solvent, and the surfactant are put into a stirring kneader, kneaded, pulverized, and granulated to disperse the conductive particles in the dispersion solvent. Next, the polymer resin is further dropped into a stirring kneader and stirred and kneaded to disperse the conductive particles and the polymer resin in the dispersion solvent. By such a method, a kneaded product is obtained.

次に、得られた混錬物を圧延して成形してシート状混錬物が得られる(ステップS102)。シート状混練物とは、シート状の形状を有するように圧延および成形された混練物をいう。圧延および成形には、例えば、ロールプレス機又は平板プレス機などを用いることができる。シート状混練物の厚みは、第1層の厚みが所望の値となるように、適宜に調整されうる。   Next, the kneaded material obtained is rolled and molded to obtain a sheet-like kneaded material (step S102). The sheet-like kneaded product refers to a kneaded product that has been rolled and formed so as to have a sheet-like shape. For rolling and forming, for example, a roll press or a flat plate press can be used. The thickness of the sheet-like kneaded product can be adjusted as appropriate so that the thickness of the first layer becomes a desired value.

次に、得られたシート状混練物を熱処理して、分散溶媒と界面活性剤とを除去することで、第1層10が得られる(ステップS103)。シート状混錬物の熱処理は、例えば、焼成炉、電気炉、およびガス炉等で行うことができる。以下、シート状混錬物の熱処理における加熱温度を、第1熱処理温度と呼ぶ。   Next, the obtained sheet-like kneaded material is heat-treated to remove the dispersion solvent and the surfactant, thereby obtaining the first layer 10 (step S103). The heat treatment of the sheet-shaped kneaded material can be performed, for example, in a firing furnace, an electric furnace, a gas furnace, or the like. Hereinafter, the heating temperature in the heat treatment of the sheet-shaped kneaded material is referred to as a first heat treatment temperature.

第1熱処理温度は摂氏:260度以上とすることができる。第1熱処理温度を摂氏:260度以上とすることで、量産性を確保できる速さでシート状混練物中から界面活性剤を除去することが容易になる。   The first heat treatment temperature can be set to 260 degrees Celsius or higher. By setting the first heat treatment temperature to 260 degrees Celsius or higher, it becomes easy to remove the surfactant from the sheet-like kneaded material at a speed that can ensure mass productivity.

第1熱処理温度は、混練物の原料となる高分子樹脂の融点以下とすることができる。第1熱処理温度を混練物の原料となる高分子樹脂の融点以下とすることで、高分子樹脂が融解しにくくなり、構造体としての強度が低下しにくくなり、シート形状が崩れにくくなる。   The 1st heat processing temperature can be made below into melting | fusing point of the polymer resin used as the raw material of a kneaded material. By setting the first heat treatment temperature to be equal to or lower than the melting point of the polymer resin that is the raw material of the kneaded product, the polymer resin is hardly melted, the strength as a structure is difficult to be lowered, and the sheet shape is not easily collapsed.

高分子樹脂としてPTFEを用いる場合、高分子樹脂の融点は摂氏330度以上摂氏350度以下であり、第1熱処理温度での熱処理における温度を摂氏:260度以上摂氏330度以下としてもよい。   When PTFE is used as the polymer resin, the melting point of the polymer resin may be 330 degrees Celsius or more and 350 degrees Celsius or less, and the temperature in the heat treatment at the first heat treatment temperature may be 260 degrees Celsius or more and 330 degrees Celsius or less.

熱処理における加熱温度と加熱時間は、界面活性剤と分散溶媒とがシート状混練物から十分に除去され、かつ、高分子樹脂の結晶化が進行する温度および時間に設定してもよい。界面活性剤および分散溶媒の残存量は、例えば、TG/DTA(示差熱・熱重量同時測定装置)等の分析結果により測定可能である。残存量は、第1層10の全重量に対して1重量%以下としてもよい。残存量は、第1層10の厚みと熱処理温度と時間とを調整することで、適宜制御できる。   The heating temperature and the heating time in the heat treatment may be set to a temperature and a time at which the surfactant and the dispersion solvent are sufficiently removed from the sheet-like kneaded product and the crystallization of the polymer resin proceeds. The remaining amount of the surfactant and the dispersion solvent can be measured by an analysis result such as TG / DTA (differential heat / thermogravimetric simultaneous measurement device). The remaining amount may be 1 wt% or less with respect to the total weight of the first layer 10. The remaining amount can be appropriately controlled by adjusting the thickness of the first layer 10, the heat treatment temperature, and the time.

次に、第1層10に、第1層10を貫通する孔12を複数形成する(ステップS104)。孔12の形成方法は特に限定されない。具体的には例えば、金属等からなるニードルを突き刺すことで孔12が形成されてもよい。或いは例えば、UVレーザやCOレーザ等のレーザを用いて孔12が形成されてもよい。或いは例えば、第1層10を成形する際に用いられる型枠に貫通部材が設けられており、かかる型枠に材料を流し込むことで孔12が形成されてもよい。すなわち、孔12は、第1層の形成と同時に形成されてもよいし、第1層が形成された後に形成されてもよい。換言すれば、ステップS104は、ステップS102およびステップS103と同時進行的に実行されてもよい。 Next, a plurality of holes 12 penetrating the first layer 10 are formed in the first layer 10 (step S104). The formation method of the hole 12 is not specifically limited. Specifically, for example, the hole 12 may be formed by piercing a needle made of metal or the like. Alternatively, for example, the holes 12 may be formed using a laser such as a UV laser or a CO 2 laser. Alternatively, for example, a penetrating member may be provided in a mold used when the first layer 10 is molded, and the hole 12 may be formed by pouring a material into the mold. That is, the hole 12 may be formed simultaneously with the formation of the first layer, or may be formed after the first layer is formed. In other words, step S104 may be executed simultaneously with step S102 and step S103.

[第1実施例]
第1実施例では、第1実施形態のガス拡散層を用いた膜電極ガス拡散層接合体を作製し、発電試験を行った。
[First embodiment]
In the first example, a membrane electrode gas diffusion layer assembly using the gas diffusion layer of the first embodiment was produced and a power generation test was performed.

図3は、第1実施例にかかる膜電極ガス拡散層接合体の概略構成を示す断面図である。図3に示すように、第1実施例の膜電極ガス拡散層接合体は、高分子電解質膜20のカソード側の主面上にカソード触媒層18が設けられ、高分子電解質膜20のアノード側の主面上にアノード触媒層22が設けられ、カソード触媒層18の高分子電解質膜20とは反対側の主面上に燃料電池用ガス拡散層100が設けられ、アノード触媒層22の高分子電解質膜20とは反対側の主面上に層24が設けられている。   FIG. 3 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of the membrane electrode gas diffusion layer assembly according to the first embodiment. As shown in FIG. 3, in the membrane electrode gas diffusion layer assembly of the first embodiment, the cathode catalyst layer 18 is provided on the cathode-side main surface of the polymer electrolyte membrane 20, and the anode side of the polymer electrolyte membrane 20 is provided. The anode catalyst layer 22 is provided on the main surface of the cathode catalyst layer, the gas diffusion layer 100 for the fuel cell is provided on the main surface of the cathode catalyst layer 18 opposite to the polymer electrolyte membrane 20, and the polymer of the anode catalyst layer 22 is provided. A layer 24 is provided on the main surface opposite to the electrolyte membrane 20.

燃料電池用ガス拡散層100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る第1層10を有し、第1層10に、第1層10を貫通する孔12が複数形成されている。層24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、層24に孔は形成されていない。   The fuel cell gas diffusion layer 100 has a first layer 10 composed of a porous member mainly composed of conductive particles and a polymer resin, and penetrates the first layer 10 through the first layer 10. A plurality of holes 12 are formed. The layer 24 is composed of a porous member mainly composed of conductive particles and a polymer resin, and no holes are formed in the layer 24.

第1実施例では、以下の方法で、膜電極接合体を作製した。   In the first example, a membrane electrode assembly was produced by the following method.

すなわち、電極触媒である白金粒子をカーボン粉末上に担持させてなる触媒担持カーボン(田中貴金属工業(株)製のTEC10E50E、50質量%がPt)と、水素イオン伝導性を有する高分子電解質溶液(ソルベイソレクシス(株)製のアクイヴィオン、D79−20BS)とを、エタノールと水との混合分散媒(質量比1:1)に分散させてカソード触媒層形成用インクを調製した。高分子電解質は、塗布形成後の触媒層中の高分子電解質の質量が、触媒担持カーボンの質量の0.4倍となるように添加した。   That is, a catalyst-supporting carbon (TEC10E50E manufactured by Tanaka Kikinzoku Kogyo Co., Ltd., 50 mass% is Pt) obtained by supporting platinum particles as an electrode catalyst on carbon powder, and a polymer electrolyte solution having hydrogen ion conductivity ( An ink for forming a cathode catalyst layer was prepared by dispersing Aquivion, D79-20BS, manufactured by Solvay Solexis Co., Ltd., in a mixed dispersion medium (mass ratio 1: 1) of ethanol and water. The polymer electrolyte was added so that the mass of the polymer electrolyte in the catalyst layer after coating formation was 0.4 times the mass of the catalyst-supported carbon.

得られたカソード触媒層形成用インクを、高分子電解質膜(ジャパンゴアテックス(株)製のGSII、150mm×150mm)の一方の面に、スプレー法によって塗布し、白金担持量が0.3mg/cmとなるようにカソード触媒層を形成した。 The obtained ink for forming a cathode catalyst layer was applied to one surface of a polymer electrolyte membrane (GSII manufactured by Japan Gore-Tex Co., Ltd., 150 mm × 150 mm) by a spray method, so that the platinum loading was 0.3 mg / The cathode catalyst layer was formed so as to be cm 2 .

上記触媒層塗布時には、140mm×140mmに打ち抜かれた基材(PET)をマスクとして利用した。   At the time of applying the catalyst layer, a substrate (PET) punched out to 140 mm × 140 mm was used as a mask.

つぎに、電極触媒である白金ルテニウム合金(白金:ルテニウム=1:1.5モル比(物質量比))粒子をカーボン粉末上に担持させてなる触媒担持カーボン(田中貴金属工業(株)製のTEC61E54、50質量%がPt−Ru合金)と、水素イオン伝導性を有する高分子電解質溶液(ソルベイソレクシス(株)製のアクイヴィオン、D79−20BS)とを、エタノールと水との混合分散媒(質量比1:1)に分散させてアノード触媒層形成用インクを調製した。高分子電解質は、塗布形成後の触媒層中の高分子電解質の質量が、触媒担持カーボンの質量の0.4倍となるように添加した。   Next, a catalyst-supported carbon (manufactured by Tanaka Kikinzoku Kogyo Co., Ltd.) in which platinum ruthenium alloy (platinum: ruthenium = 1: 1.5 molar ratio (substance ratio)) particles as electrode catalysts are supported on carbon powder. TEC61E54, 50% by mass of a Pt—Ru alloy) and a polymer electrolyte solution having hydrogen ion conductivity (Aquivion, D79-20BS, manufactured by Solvay Solexis Co., Ltd.), a mixed dispersion medium of ethanol and water ( An ink for forming an anode catalyst layer was prepared by dispersing in a mass ratio of 1: 1). The polymer electrolyte was added so that the mass of the polymer electrolyte in the catalyst layer after coating formation was 0.4 times the mass of the catalyst-supported carbon.

得られたアノード触媒層形成用インクを、高分子電解質膜のカソード触媒層が形成された面とは反対側の他方の面に、スプレー法によって塗布し、単層構造を有しかつ白金担持量が0.2mg/cmとなるようにアノード触媒層を形成した。 The obtained ink for forming an anode catalyst layer was applied to the other surface of the polymer electrolyte membrane opposite to the surface on which the cathode catalyst layer was formed by a spray method, and had a single layer structure and a platinum carrying amount. The anode catalyst layer was formed so as to be 0.2 mg / cm 2 .

マスクの形状および使用方法は、上記カソード触媒層作製時と同様とした。   The shape of the mask and the method of use were the same as in the preparation of the cathode catalyst layer.

第1実施例では、以下の方法で、ガス拡散層を作製した。   In the first example, a gas diffusion layer was produced by the following method.

アセチレンブラック(電気化学工業製、デンカブラック)50gと、グラファイト(和光純薬工業製)80gと、VGCF(昭和電工製、繊維径0.15μm)3gと、界面活性剤(トライトンX)4gと、水200gとを、ミキサーに投入し、混練した。続いて、ミキサーにPTFEディスパージョン(旭硝子製、AD911、固形分比が60重量%)25gを投入し、さらに5分間攪拌して混練物を得た。得られた混練物をミキサーの中から20g取り出し、延伸ロール機(ギャップ600μm)にて、厚み600μmのシート状混練物を得た。この後、シート状混練物を焼成炉にて300℃で2時間熱処理し、混練物中の界面活性剤と水とを除去した。界面活性剤と水とを除去したシート状混練物を焼成炉から取り出し、再び延伸ロール機(ギャップ400μm)にて圧延して厚さ調整および厚さバラつきの低減を行ったのち、14cm角に裁断した。このようにして厚さ400μmのゴム状の第1層が作製された。   50 g of acetylene black (Denka Black, manufactured by Denki Kagaku Kogyo), 80 g of graphite (manufactured by Wako Pure Chemical Industries), 3 g of VGCF (manufactured by Showa Denko, fiber diameter 0.15 μm), 4 g of surfactant (Triton X), 200 g of water was put into a mixer and kneaded. Subsequently, 25 g of PTFE dispersion (manufactured by Asahi Glass Co., Ltd., AD911, solid content ratio: 60 wt%) was added to the mixer, and the mixture was further stirred for 5 minutes to obtain a kneaded product. 20 g of the obtained kneaded material was taken out from the mixer, and a sheet-like kneaded material having a thickness of 600 μm was obtained using a stretching roll machine (gap 600 μm). Thereafter, the sheet-like kneaded product was heat-treated at 300 ° C. for 2 hours in a baking furnace to remove the surfactant and water in the kneaded product. The sheet-like kneaded product from which the surfactant and water have been removed is taken out of the firing furnace, and rolled again with a drawing roll machine (gap 400 μm) to adjust the thickness and reduce the thickness variation, and then cut into a 14 cm square. did. Thus, a rubber-like first layer having a thickness of 400 μm was produced.

第1層の透気抵抗度を、JIS−P8177:2009に基づいたガーレー試験機法(Gurley method)のB型装置により測定した結果、850秒であった。   It was 850 second as a result of measuring the air resistance of the 1st layer with the B type device of the Gurley test machine method (Gurley method) based on JIS-P8177: 2009.

カソード用ガス拡散層については、上記方法で得られた第1層に対し、カンタル線(鉄、クロム、アルミニウム合金)からなるニードルを完全に突き刺すことで、直径230μmの貫通孔を形成した。   For the cathode gas diffusion layer, a through hole having a diameter of 230 μm was formed by completely piercing a needle made of Kanthal wire (iron, chromium, aluminum alloy) into the first layer obtained by the above method.

図4は、第1実施例にかかるガス拡散層の概略構成を模式的に示す平面図である。図4に示すように、第1実施例のガス拡散層は、第1層10に、孔12が千鳥状(zig−zag alignment)に配置されるように形成された。   FIG. 4 is a plan view schematically showing a schematic configuration of the gas diffusion layer according to the first embodiment. As shown in FIG. 4, the gas diffusion layer of the first example was formed in the first layer 10 such that the holes 12 were arranged in a zig-zag alignment.

貫通孔のピッチは約3mmとし、隣接する貫通孔までの距離がいずれも約3mmとなるように配置した。貫通孔の密度は、1cmあたり11個であった。貫通孔の開口面積は、第1層の面積1cmあたり、0.0046cmであった。貫通孔の開口部の合計面積は、第1層の面積の0.46%であった。 The pitch of the through holes was about 3 mm, and the distance to adjacent through holes was about 3 mm. The density of the through holes was 11 per 1 cm 2 . The opening area of the through hole, the area 1 cm 2 per the first layer was 0.0046cm 2. The total area of the openings of the through holes was 0.46% of the area of the first layer.

アノード用ガス拡散層については、貫通孔を形成せずに、第1層をそのまま利用した。   For the anode gas diffusion layer, the first layer was used as it was without forming a through hole.

以上のように作製した、カソード用ガス拡散層、およびアノード用ガス拡散層を、上記方法で作製した膜電極接合体に当接させ、120℃、6kgf/cmで5分間ホットプレスを行い、触媒層とガス拡散層とを接合させることにより、第1実施例の膜電極ガス拡散層接合体を得た。 The cathode gas diffusion layer and anode gas diffusion layer produced as described above were brought into contact with the membrane electrode assembly produced by the above method, and hot-pressed at 120 ° C. and 6 kgf / cm 2 for 5 minutes, By joining the catalyst layer and the gas diffusion layer, a membrane electrode gas diffusion layer assembly of the first example was obtained.

[第1比較例]
第1比較例では、カーボンクロスを備えるガス拡散層を用いた膜電極ガス拡散層接合体を作製し、発電試験を行った。
[First comparative example]
In the first comparative example, a membrane electrode gas diffusion layer assembly using a gas diffusion layer including carbon cloth was produced, and a power generation test was performed.

第1比較例では、第1実施例と同様の方法で、膜電極接合体を作製した。   In the first comparative example, a membrane electrode assembly was produced by the same method as in the first example.

第1比較例では、以下の方法で、ガス拡散層を作製した。   In the first comparative example, a gas diffusion layer was produced by the following method.

厚みが270μmのカーボンクロス(三菱化学(株)製のSK−1)を、フッ素樹脂含有の水性ディスパージョン(ダイキン工業(株)製のND−1)に含浸した後、乾燥することで上記カーボンクロスに撥水性を付与した(撥水処理)。続いて、撥水処理後のカーボンクロスの一方の面(全面)に撥水カーボン層を形成した。導電性カーボン粉末(電気化学工業(株)製のデンカブラック(商品名))と、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)微粉末を分散させた水溶液(ダイキン工業(株)製のD−1)とを混合し、撥水カーボン層形成用インクを調製した。この撥水カーボン層形成用インクを、ドクターブレード法(Doctor Blade Technique)によって、上記撥水処理後のカーボンクロスの一方の面に塗布し、撥水カーボン層を形成した。その後、撥水処理および撥水カーボン層形成後のカーボンクロスを、350℃で30分間焼成することで、カーボンクロスを備えるガス拡散層を得た。   A carbon cloth having a thickness of 270 μm (SK-1 manufactured by Mitsubishi Chemical Corporation) is impregnated into a fluororesin-containing aqueous dispersion (ND-1 manufactured by Daikin Industries, Ltd.) and then dried to dry the carbon. The cloth was given water repellency (water repellency treatment). Subsequently, a water repellent carbon layer was formed on one surface (entire surface) of the carbon cloth after the water repellent treatment. Conductive carbon powder (Denka Black (trade name) manufactured by Denki Kagaku Kogyo Co., Ltd.) and an aqueous solution (D-1 manufactured by Daikin Industries, Ltd.) in which fine powder of polytetrafluoroethylene (PTFE) is dispersed. By mixing, an ink for forming a water-repellent carbon layer was prepared. This water repellent carbon layer forming ink was applied to one surface of the carbon cloth after the water repellent treatment by a doctor blade method (Doctor Blade Technique) to form a water repellent carbon layer. Thereafter, the carbon cloth after the water-repellent treatment and the formation of the water-repellent carbon layer was baked at 350 ° C. for 30 minutes to obtain a gas diffusion layer including the carbon cloth.

カーボンクロスを備えるガス拡散層の透気抵抗度を、JIS−P8177:2009に基づいたガーレー試験機法(Gurley method)のB型装置により測定した結果、0.4秒であった。   The gas resistance of the gas diffusion layer including the carbon cloth was measured by a Gurley method B type apparatus based on JIS-P8177: 2009, and the result was 0.4 second.

第1比較例では、カソード用ガス拡散層、およびアノード用ガス拡散層は、同一の方法で作製した。   In the first comparative example, the cathode gas diffusion layer and the anode gas diffusion layer were produced by the same method.

以上のように作製した、カソード用ガス拡散層、およびアノード用ガス拡散層を、上記方法で作製した膜電極接合体に当接させ、120℃、6kgf/cmで5分間ホットプレスを行い、触媒層とガス拡散層とを接合させることにより、第1比較例の膜電極ガス拡散層接合体を得た。 The cathode gas diffusion layer and anode gas diffusion layer produced as described above were brought into contact with the membrane electrode assembly produced by the above method, and hot-pressed at 120 ° C. and 6 kgf / cm 2 for 5 minutes, The membrane electrode gas diffusion layer assembly of the first comparative example was obtained by bonding the catalyst layer and the gas diffusion layer.

[第2比較例]
第2比較例では、第1実施例と同様の方法で得られた第1層に貫通孔を形成せずにガス拡散層を作製し、これを用いて膜電極ガス拡散層接合体を作製し、発電試験を行った。
[Second Comparative Example]
In the second comparative example, a gas diffusion layer was produced without forming a through hole in the first layer obtained by the same method as in the first example, and a membrane electrode gas diffusion layer assembly was produced using this. A power generation test was conducted.

第2比較例では、第1実施例と同様の方法で、膜電極接合体を作製した。   In the second comparative example, a membrane electrode assembly was produced by the same method as in the first example.

第2比較例では、第1実施例と同様の方法で、第1層を作製した。   In the second comparative example, the first layer was produced by the same method as in the first example.

第1層の透気抵抗度を、JIS−P8177:2009に基づいたガーレー試験機法(Gurley method)のB型装置により測定した結果、777秒であった。   It was 777 seconds as a result of measuring the air resistance of the 1st layer with the B-type apparatus of the Gurley test method (Gurley method) based on JIS-P8177: 2009.

第2比較例では、カソード用ガス拡散層およびアノード用ガス拡散層の両方とも、上記第1層を、貫通孔を形成せずにそのまま利用した。   In the second comparative example, both the cathode gas diffusion layer and the anode gas diffusion layer used the first layer as it was without forming a through hole.

以上のように作製した、カソード用ガス拡散層、およびアノード用ガス拡散層を、上記方法で作製した膜電極接合体に当接させ、120℃、6kgf/cmで5分間ホットプレスを行い、触媒層とガス拡散層とを接合させることにより、第2実施例の膜電極ガス拡散層接合体を得た。 The cathode gas diffusion layer and anode gas diffusion layer produced as described above were brought into contact with the membrane electrode assembly produced by the above method, and hot-pressed at 120 ° C. and 6 kgf / cm 2 for 5 minutes, By joining the catalyst layer and the gas diffusion layer, the membrane electrode gas diffusion layer assembly of the second example was obtained.

[発電試験]
第1実施例と第1比較例と第2比較例のそれぞれで得られた膜電極ガス拡散層接合体を用いて燃料電池を作製した。膜電極ガス拡散層接合体を、燃料ガス供給用のガス流路および冷却水流路を有するセパレータと、酸化剤ガス供給用のガス流路を有するセパレータとで挟持し、両セパレータ間でカソードおよびアノードの周囲にフッ素ゴム製のガスケットを配置し、有効電極(アノードまたはカソード)面積が196cmである単電池を得た。
[Power generation test]
A fuel cell was fabricated using the membrane electrode gas diffusion layer assembly obtained in each of the first example, the first comparative example, and the second comparative example. The membrane electrode gas diffusion layer assembly is sandwiched between a separator having a gas flow path for supplying fuel gas and a cooling water flow path and a separator having a gas flow path for supplying oxidant gas, and a cathode and an anode between both separators. A gasket made of fluororubber was placed around, and a unit cell having an effective electrode (anode or cathode) area of 196 cm 2 was obtained.

第1実施例と第1比較例と第2比較例とのそれぞれについて得られた単電池の温度を摂氏65度に維持し、アノード側のガス流路に燃料ガスとして水素ガスと二酸化炭素との混合ガス(水素ガス75%、二酸化炭素25%)を供給し、カソード側のガス流路に空気を供給した。水素ガス利用率は70%、空気利用率は40%とした。燃料ガスおよび空気は、いずれも露点が摂氏約65度となるように加湿してから単電池に供給した。   The temperature of the unit cell obtained for each of the first example, the first comparative example, and the second comparative example is maintained at 65 degrees Celsius, and hydrogen gas and carbon dioxide as fuel gas are supplied to the gas flow path on the anode side. A mixed gas (75% hydrogen gas, 25% carbon dioxide) was supplied, and air was supplied to the gas flow path on the cathode side. The hydrogen gas utilization rate was 70%, and the air utilization rate was 40%. The fuel gas and air were both humidified so that the dew point was about 65 degrees Celsius, and then supplied to the unit cell.

まず、それぞれの単電池を電流密度0.2A/cmで12時間発電させることで、単電池のエージング(活性化処理)を行った。 First, aging (activation process) of the unit cells was performed by generating each unit cell with a current density of 0.2 A / cm 2 for 12 hours.

その後、以下のように室温起動を行った。まず、各単電池について、発電を停止させ、単電池の温度を室温(摂氏約25度)まで低下させた。その後、燃料ガスの露点を摂氏約65度としてアノードに供給し、空気は加湿せずに乾燥した状態の空気(露点=摂氏零下[マイナス]45度)をカソードに供給し、各単電池について、電流密度0.25A/cmで発電を開始(起動)させた。さらに、発電開始後に単電池の温度を摂氏65度まで上昇させた。かかるプロセスは、発電開始時の単電池の温度が室温であるため、室温起動と呼ぶ。 Then, room temperature start-up was performed as follows. First, power generation was stopped for each unit cell, and the temperature of the unit cell was lowered to room temperature (about 25 degrees Celsius). Thereafter, the dew point of the fuel gas is supplied to the anode with a dew point of about 65 degrees Celsius, and the air is supplied to the cathode in a dry state without dehumidification (dew point = 45 degrees Celsius [minus] 45 degrees Celsius). Power generation was started (started up) at a current density of 0.25 A / cm 2 . Furthermore, the temperature of the unit cell was raised to 65 degrees Celsius after the start of power generation. Such a process is called room temperature startup because the temperature of the cell at the start of power generation is at room temperature.

初回の室温起動後、発電を4時間継続させ、その後で電圧を測定した。また、該室温起動を100回繰り返した後、発電試験を終了し、燃料電池を解体し、カソード側のガス拡散層が触媒層から剥離している箇所の数を確認した。なお、剥離している箇所とは、ガス拡散層が触媒層から若干浮いた状態になっている部分を指す。いずれのサンプルについても、アノード側では、ガス拡散層が剥離している箇所は見つからなかった。   After the first room temperature startup, power generation was continued for 4 hours, and then the voltage was measured. Further, after starting the room temperature 100 times, the power generation test was completed, the fuel cell was disassembled, and the number of locations where the cathode-side gas diffusion layer was separated from the catalyst layer was confirmed. In addition, the part which has peeled refers to the part from which the gas diffusion layer has floated from the catalyst layer a little. In any sample, no portion where the gas diffusion layer was peeled off was found on the anode side.

発電試験の結果を、表1に示す。   Table 1 shows the results of the power generation test.

Figure 2014086133
Figure 2014086133

表1に示すように、第1実施例と第1比較例と第2比較例とで、単電池の電圧はそれぞれ、748mV、720mV、749mVであり、第1実施例と第2比較例とはほぼ等しく、第1比較例よりも電圧は高かった。これは、カーボンクロスを用いた第1比較例よりも、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る第1層を有する第1実施例および第2比較例の方が、電解質膜の乾燥をより効果的に防ぐことができ、発電効率が向上したためと考えられる。   As shown in Table 1, in the first example, the first comparative example, and the second comparative example, the cell voltages are 748 mV, 720 mV, and 749 mV, respectively. The voltage was almost equal and higher than that of the first comparative example. This is because the first example and the second comparative example having the first layer composed of a porous member mainly composed of conductive particles and a polymer resin than the first comparative example using the carbon cloth. This is because the electrolyte membrane can be more effectively prevented from drying, and the power generation efficiency is improved.

表1に示すように、第1実施例と第1比較例と第2比較例とで、剥離箇所の数はそれぞれ、8、0、67であり、第1実施例と第1比較例とはほぼ等しく、第2比較例よりも剥離箇所の数は大幅に少なかった。これは、透気抵抗度の高い第1層からなり貫通孔を有しない第2比較例よりも、透気抵抗度の高い第1層からなり貫通孔を有する第1実施例および透気抵抗度の低い第1比較例の方が、触媒層とガス拡散層との境界において、局所的に液体の水が溜まる領域が生じにくくなり、水の溜まった領域が発生する水圧によりガス拡散層が押し上げられにくくなったためと考えられる。   As shown in Table 1, in the first example, the first comparative example, and the second comparative example, the number of peeled portions is 8, 0, and 67, respectively, and the first example and the first comparative example are The number of peeled portions was substantially smaller than that of the second comparative example. This is because the first embodiment having a through-hole having a high air permeability resistance and the air resistance having a through-hole are compared to the second comparative example having the high air-resistance resistance and having no through-hole. In the first comparative example having a lower temperature, a region where liquid water is locally accumulated is less likely to be generated at the boundary between the catalyst layer and the gas diffusion layer, and the gas diffusion layer is pushed up by the water pressure at which the water accumulation region is generated. This is thought to be because it became difficult to be done.

以上まとめると、第1実施例では、電圧については第2比較例と同程度の良好な結果を示し、剥離箇所の数については第1比較例と同程度の良好な結果を示した。すなわち、第1実施例のガス拡散層は、低加湿運転と室温起動との組合せにおいて、高分子電解質膜の乾燥を防ぎながら適切に発電することと、ガス拡散層が触媒層から剥離し変形する可能性を低減することという、相反する課題を同時に解決できることが分かった。   In summary, in the first example, the voltage was as good as that of the second comparative example, and the number of peeled portions was as good as that of the first comparative example. That is, the gas diffusion layer of the first embodiment generates power appropriately while preventing drying of the polymer electrolyte membrane, and the gas diffusion layer peels off from the catalyst layer and deforms in a combination of low humidification operation and room temperature startup. It turned out that the conflicting problem of reducing the possibility can be solved simultaneously.

(第2実施形態)
第2実施形態の燃料電池用ガス拡散層は、第1実施形態およびその変形例の燃料電池用ガス拡散層であって、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る第1層と、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、第1層と接するように形成され、第1層よりも撥水性の高い第2層とを有し、孔は、第1層および第2層を貫通するように形成されている。
(Second Embodiment)
The gas diffusion layer for a fuel cell according to the second embodiment is a gas diffusion layer for a fuel cell according to the first embodiment and its modifications, and is composed of a porous member mainly composed of conductive particles and a polymer resin. A first layer formed of a porous member mainly composed of conductive particles and a polymer resin, formed so as to be in contact with the first layer, and having a higher water repellency than the first layer; The hole is formed so as to penetrate the first layer and the second layer.

第2実施形態の燃料電池用ガス拡散層の製造方法は、第1実施形態およびその変形例の燃料電池用ガス拡散層の製造方法である。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混ぜて均質な分散液を得て、孔を形成する前の第1層上に分散液を塗工および乾燥して第1層よりも薄い分散液層を形成する。次いで、分散液層が形成された第1層を、第1熱処理温度よりも低い第2熱処理温度で熱処理して分散液層から界面活性剤と分散溶媒とを除去して、第1層の上に第1層よりも撥水性の高い第2層を得る。このとき、第1層に孔を形成する時に、孔が第2層をも貫通するように孔を形成すること、を含む。   The manufacturing method of the gas diffusion layer for fuel cells of 2nd Embodiment is a manufacturing method of the gas diffusion layer for fuel cells of 1st Embodiment and its modification. Specifically, the conductive particles, the polymer resin, the surfactant, and the dispersion solvent are mixed to obtain a homogeneous dispersion, and the dispersion is applied and dried on the first layer before forming the pores. To form a dispersion layer thinner than the first layer. Next, the first layer on which the dispersion layer is formed is heat-treated at a second heat treatment temperature lower than the first heat treatment temperature to remove the surfactant and the dispersion solvent from the dispersion layer, and A second layer having a higher water repellency than the first layer is obtained. At this time, when the hole is formed in the first layer, the hole is formed so that the hole also penetrates the second layer.

第2層は第1層に比して撥水性が高い。発電反応により生成されたミストは、第2層に付着しにくい。このため、第2層の中のミストは、第1層の中よりもスムーズに移動することができる。かかる第2層が触媒層と第1層との間に存在することにより、第2層内において、高分子電解質膜の主面と平行な方向(面方向)のミストの移動が促進され、また、触媒層から第1層と第2層との境界、もしくは第1層に移動するミストの量が少なくなる。   The second layer has higher water repellency than the first layer. The mist generated by the power generation reaction is unlikely to adhere to the second layer. For this reason, the mist in the second layer can move more smoothly than in the first layer. The presence of the second layer between the catalyst layer and the first layer promotes the movement of mist in a direction (plane direction) parallel to the main surface of the polymer electrolyte membrane in the second layer. The amount of mist that moves from the catalyst layer to the boundary between the first layer and the second layer or to the first layer is reduced.

起動時等、燃料電池の温度が低い場合には、ミストの運動エネルギーが低い。そのため、第2層内を移動するミストの一部が、第1層と第2層との境界において、第1層に付着しやすくなる。第1層と第2層との境界付近に存在するミストは、第1層に付着しているミストを核として次々に凝集し、その結果、第1層と第2層との境界に局部的に水が溜まる領域が形成される。第2実施形態のガス拡散層は、第1層および第2層を貫く孔を有している。上記領域に存在する水を、孔を通じてガス拡散層の外部に排出することができるため、水圧によりガス拡散層が変形する可能性をさらに低減できる。   When the temperature of the fuel cell is low, such as during startup, the kinetic energy of the mist is low. Therefore, a part of the mist moving in the second layer is likely to adhere to the first layer at the boundary between the first layer and the second layer. The mist present near the boundary between the first layer and the second layer is aggregated one after another using the mist adhering to the first layer as a nucleus, and as a result, locally at the boundary between the first layer and the second layer. A region where water accumulates is formed. The gas diffusion layer of the second embodiment has a hole penetrating the first layer and the second layer. Since the water present in the region can be discharged to the outside of the gas diffusion layer through the holes, the possibility that the gas diffusion layer is deformed by water pressure can be further reduced.

[装置構成]
図5は、第2実施形態にかかるガス拡散層の概略構成の一例を示す断面図である。以下、図5を参照しつつ、第2実施形態の燃料電池用ガス拡散層200について説明する。
[Device configuration]
FIG. 5 is a cross-sectional view showing an example of a schematic configuration of the gas diffusion layer according to the second embodiment. Hereinafter, the gas diffusion layer 200 for a fuel cell according to the second embodiment will be described with reference to FIG.

図5に例示するように、燃料電池用ガス拡散層100は、第1層10と第2層14とを備える。すなわち、第2実施形態は、ガス拡散層が2つの層で形成されている場合を説明する。   As illustrated in FIG. 5, the fuel cell gas diffusion layer 100 includes a first layer 10 and a second layer 14. That is, 2nd Embodiment demonstrates the case where the gas diffusion layer is formed with two layers.

燃料電池用ガス拡散層200は、例えば、基材として炭素繊維等を用いないガス拡散層(いわゆる、基材レスGDL)として形成されうる。   The fuel cell gas diffusion layer 200 can be formed, for example, as a gas diffusion layer (a so-called substrate-less GDL) that does not use carbon fiber or the like as a substrate.

第1層10は、これを貫通する孔の符号が12から16に変更されている点を除き、第1実施形態と同様とすることができる。よって、詳細な説明を省略する。   The first layer 10 can be the same as that of the first embodiment except that the sign of the hole penetrating the first layer 10 is changed from 12 to 16. Therefore, detailed description is omitted.

第2層14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、第1層10と接するように形成され、第1層10よりも撥水性が高い。   The second layer 14 is composed of a porous member mainly composed of conductive particles and a polymer resin, is formed so as to be in contact with the first layer 10, and has higher water repellency than the first layer 10.

第2層14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あってもよい。第2層14は、導電性粒子と高分子樹脂とを主成分とし、高分子樹脂よりも少ない重量の炭素繊維が導電性粒子として添加された多孔質部材で構成されていてもよい。多孔質部材は、炭素繊維を2.0重量%以上、7.5重量%以下含んでいてもよい。多孔質部材は、高分子樹脂を10重量%以上、17重量%以下含んでいてもよい。第2層14は、基材を含まない構成とすることができる。   The second layer 14 may be a porous member mainly composed of conductive particles and a polymer resin. The second layer 14 may be composed of a porous member containing conductive particles and a polymer resin as main components and carbon fibers having a weight less than that of the polymer resin added as conductive particles. The porous member may contain 2.0% by weight or more and 7.5% by weight or less of carbon fiber. The porous member may contain 10 wt% or more and 17 wt% or less of the polymer resin. The 2nd layer 14 can be set as the structure which does not contain a base material.

第2層14の多孔度は、42%以上75%以下であってもよい。   The porosity of the second layer 14 may be 42% or more and 75% or less.

燃料電池用ガス拡散層200を燃料電池に使用する場合には、第2層14は、触媒層と接するように配置されうる。第1層は、セパレータと接するように配置されうる。   When the fuel cell gas diffusion layer 200 is used in a fuel cell, the second layer 14 can be disposed in contact with the catalyst layer. The first layer can be disposed in contact with the separator.

導電性粒子および高分子樹脂については、第1実施形態と同様とすることができるので、詳細な説明を省略する。   Since the conductive particles and the polymer resin can be the same as those in the first embodiment, detailed description thereof is omitted.

撥水性は、表面に液水を滴下した際の水滴の接触角に基づいて評価することができる。すなわち、接触角が大きいほど、撥水性は高い。接触角=180°のとき、全く濡れず、撥水性は最大となる。接触角=0°のとき、完全に濡れ、撥水性は最小となる。撥水性に影響する要素としては、層を構成する材料の疎水性−親水性と、層を構成する材料の多孔度(表面積)とが考えられる。層を構成する材料が疎水性であれば、撥水性は大きくなると考えられる。層を形成する材料の多孔度が大きければ、撥水性は大きくなると考えられる。よって撥水性は、層の内部を通じてミストが移動しやすいか否かの指標となる。   The water repellency can be evaluated based on the contact angle of water droplets when liquid water is dropped on the surface. That is, the greater the contact angle, the higher the water repellency. When the contact angle = 180 °, there is no wetting and the water repellency is maximized. When the contact angle = 0 °, the film is completely wetted and the water repellency is minimized. As factors affecting water repellency, the hydrophobicity-hydrophilicity of the material constituting the layer and the porosity (surface area) of the material constituting the layer are considered. If the material constituting the layer is hydrophobic, the water repellency is considered to increase. If the porosity of the material forming the layer is large, the water repellency is considered to be large. Thus, water repellency is an indicator of whether or not mist is likely to move through the interior of the layer.

撥水性は、各層に含まれる高分子樹脂の含有量や、各層を構成する材料の多孔度(表面積)を変化させることで調整できる。例えば、第2層14における高分子樹脂の含有量を、第1層10におけるよりも大きくすること、および第2層14を第1層10よりも多孔度(表面積)の大きな材料で構成すること等により、第2層14の撥水性を、第1層10よりも高くすることができる。   The water repellency can be adjusted by changing the content of the polymer resin contained in each layer and the porosity (surface area) of the material constituting each layer. For example, the content of the polymer resin in the second layer 14 is made larger than that in the first layer 10, and the second layer 14 is made of a material having a larger porosity (surface area) than the first layer 10. For example, the water repellency of the second layer 14 can be made higher than that of the first layer 10.

第2層14は第1層10より薄くてもよい。第2層14の厚みは、例えば、10μm以上、100μm以下とすることができる。第2層14の厚みが10μm以上であれば、触媒層との接着強度をより確保しやすくなる。第2層14の厚みが100μm以下であれば、低い熱処理温度であっても、量産性を確保できる速さで界面活性剤を除去することができる。   The second layer 14 may be thinner than the first layer 10. The thickness of the second layer 14 can be, for example, 10 μm or more and 100 μm or less. If the thickness of the 2nd layer 14 is 10 micrometers or more, it will become easier to ensure the adhesive strength with a catalyst layer. If the thickness of the second layer 14 is 100 μm or less, the surfactant can be removed at a speed that can ensure mass productivity even at a low heat treatment temperature.

第2層14を構成する導電性粒子および高分子樹脂の組成は、第1層10を構成する導電性粒子および高分子樹脂の組成と異なっていてもよい。   The composition of the conductive particles and the polymer resin constituting the second layer 14 may be different from the composition of the conductive particles and the polymer resin constituting the first layer 10.

第2層14の高分子樹脂含有量は、第1層10の高分子樹脂量よりも高くてもよい。第2層14の高分子樹脂量含有量を高めることで、第2層14の撥水性が高まり、発電反応により生成されたミストが、第2層14により付着しにくくなる。よって、第2層14において、第1層10の中よりもミストがスムーズに移動できるようになる。   The polymer resin content of the second layer 14 may be higher than the polymer resin content of the first layer 10. By increasing the content of the polymer resin in the second layer 14, the water repellency of the second layer 14 is increased, and the mist generated by the power generation reaction is less likely to adhere to the second layer 14. Therefore, the mist can move more smoothly in the second layer 14 than in the first layer 10.

第2層14には、高分子樹脂および導電性粒子以外に、分散溶媒および界面活性剤等が含まれていてもよい。分散溶媒としては、例えば、水、メタノールやエタノール等のアルコール類、エチレングリコール等の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等のノニオン系界面活性剤、アルキルアミンオキシド等の両性イオン系界面活性剤等が挙げられる。   The second layer 14 may contain a dispersion solvent, a surfactant, and the like in addition to the polymer resin and the conductive particles. 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 surfactants such as polyoxyethylene alkyl ether, and zwitterionic surfactants such as alkylamine oxide.

第2層14における分散溶媒および界面活性剤の含有量は、第2層14を構成する導電性粒子および高分子樹脂の種類、高分子樹脂と導電性粒子の配合比等により適宜選択可能である。一般的には、分散溶媒および界面活性剤の含有量が多いほど、高分子樹脂と導電性粒子とが均一に分散しやすい。ただし、分散溶媒および界面活性剤の含有量を一定以下にすると、流動性が高くなり過ぎず、シート化を容易にすることができる。   The content of the dispersion solvent and the surfactant in the second layer 14 can be appropriately selected depending on the types of the conductive particles and the polymer resin constituting the second layer 14, the blending ratio of the polymer resin and the conductive particles, and the like. . In general, the higher the content of the dispersion solvent and the surfactant, the easier the polymer resin and conductive particles are uniformly dispersed. However, when the content of the dispersion solvent and the surfactant is set to a certain value or less, the fluidity does not become too high, and sheeting can be facilitated.

第2層14には、導電性粒子と高分子樹脂と界面活性剤と分散溶媒以外の材料(例えば、短繊維の炭素繊維など)が含まれていてもよい。   The second layer 14 may include materials other than the conductive particles, the polymer resin, the surfactant, and the dispersion solvent (for example, short-fiber carbon fibers).

孔16は、第1層10および第2層14を貫通するように形成されている。すなわち本実施形態では、孔16は、第1層10および第2層14を貫通する貫通孔である。その他の点、例えば、形状、数、大きさ、配置、および形成方法等は、第1実施形態の孔12と同様とすることができる。よって、詳細な説明を省略する。   The hole 16 is formed so as to penetrate the first layer 10 and the second layer 14. That is, in the present embodiment, the hole 16 is a through hole that penetrates the first layer 10 and the second layer 14. Other points, for example, the shape, number, size, arrangement, formation method, and the like can be the same as those of the hole 12 of the first embodiment. Therefore, detailed description is omitted.

[製造方法]
図6は、第2実施形態にかかるガス拡散層の製造方法の一例を示すフローチャートである。以下、図6を参照しつつ、第2実施形態の燃料電池用ガス拡散層200の製造方法について説明する。
[Production method]
FIG. 6 is a flowchart showing an example of a method for producing a gas diffusion layer according to the second embodiment. Hereinafter, a method for manufacturing the fuel cell gas diffusion layer 200 of the second embodiment will be described with reference to FIG.

ステップS201〜S203については、第1実施形態のステップS101〜S103と同様とすることができるので、詳細な説明を省略する。   Since steps S201 to S203 can be the same as steps S101 to S103 of the first embodiment, detailed description thereof will be omitted.

ステップS203で第1層10が得られると、以下の方法で、第2層14が形成される。   When the first layer 10 is obtained in step S203, the second layer 14 is formed by the following method.

まず、導電性粒子と高分子樹脂と界面活性剤と分散溶媒とを混合することで、分散液が得られる(ステップS204)。より具体的には、例えば、界面活性剤と分散溶媒とを混合したものに、分散処理を加えた後、炭素微粉末とフッ素樹脂を添加してさらに分散処理を加える。なお、予め界面活性剤の分散処理は行わずに、界面活性剤を含む全ての材料を同時に分散処理しても良い。   First, a dispersion liquid is obtained by mixing conductive particles, a polymer resin, a surfactant, and a dispersion solvent (step S204). More specifically, for example, a dispersion treatment is added to a mixture of a surfactant and a dispersion solvent, and then a fine carbon powder and a fluororesin are added to the dispersion treatment. Note that all the materials including the surfactant may be dispersed at the same time without previously performing the surfactant dispersion treatment.

分散液の原料となる導電性粒子の材料としては、第1層10の原料となる導電性粒子の材料として上記に例示したものと同様のものを用いることができる。なお、混練物の原料となる導電性粒子と、分散液の原料となる導電性粒子の材料は、同じであってもよいし、異なってもよい。分散液における導電性粒子の含有量は、例えば、1重量%以上、かつ30重量%以下とすることができる。   As the material for the conductive particles used as the raw material for the dispersion, the same materials as those exemplified above as the material for the conductive particles used as the raw material for the first layer 10 can be used. The conductive particles used as the raw material for the kneaded product and the conductive particles used as the raw material for the dispersion may be the same or different. The content of the conductive particles in the dispersion can be, for example, 1% by weight or more and 30% by weight or less.

分散液の原料となる高分子樹脂の材料としては、第1層10の原料となる高分子樹脂の材料として上記に例示したものと同様のものを用いることができる。なお、混練物の原料となる高分子樹脂と、分散液の原料となる高分子樹脂の材料は、同じであってもよいし、異なってもよい。分散液における高分子樹脂の含有量は、例えば、0.1重量%以上、かつ10重量%以下とすることができる。   As the material of the polymer resin that becomes the raw material of the dispersion, the same materials as those exemplified above as the material of the polymer resin that becomes the raw material of the first layer 10 can be used. The material of the polymer resin that is the raw material of the kneaded product and the material of the polymer resin that is the raw material of the dispersion may be the same or different. The content of the polymer resin in the dispersion can be, for example, 0.1% by weight or more and 10% by weight or less.

分散液の原料となる界面活性剤の材料としては、第1層10の混練物の原料となる界面活性剤の材料として上記に例示したものと同様のものを用いることができる。尚、混練物の原料となる界面活性剤と、分散液の原料となる界面活性剤の材料は、同じであってもよいし、異なってもよい。分散液における界面活性剤の含有量は、例えば、0.1重量%以上、かつ5重量%以下であることが望ましい。   As the surfactant material used as the raw material of the dispersion, the same materials as those exemplified above as the surfactant material used as the raw material of the kneaded material of the first layer 10 can be used. The surfactant used as the raw material for the kneaded product and the surfactant used as the raw material for the dispersion may be the same or different. The content of the surfactant in the dispersion is desirably, for example, 0.1% by weight or more and 5% by weight or less.

分散液の原料となる分散溶媒の材料としては、第1層10の原料となる分散溶媒の材料として上記に例示したものと同様のものを用いることができる。尚、混練物の原料となる分散溶媒と、分散液の原料となる分散溶媒の材料は、同じであってもよいし、異なってもよい。分散液における分散溶媒の含有量は、例えば、55重量%以上、かつ98重量%以下であることが望ましい。   As the material for the dispersion solvent that becomes the raw material of the dispersion liquid, the same materials as those exemplified above as the material for the dispersion solvent that becomes the raw material of the first layer 10 can be used. In addition, the material of the dispersion solvent used as the raw material of the kneaded product and the material of the dispersion solvent used as the raw material of the dispersion may be the same or different. The content of the dispersion solvent in the dispersion is desirably 55% by weight or more and 98% by weight or less, for example.

次に、第1層10の上に分散液を塗工および乾燥して第1層よりも薄い分散液層を形成する(ステップS205)。分散液の塗工には、例えば、スプレー塗工法、スクリーン印刷法、およびダイ塗工法等、公知の印刷および塗布技術を用いることができる。乾燥方法としては、例えば、ホットプレートによる乾燥および乾燥炉による乾燥等を適用できる。   Next, the dispersion liquid is applied and dried on the first layer 10 to form a dispersion liquid layer thinner than the first layer (step S205). For the coating of the dispersion, known printing and coating techniques such as spray coating, screen printing, and die coating can be used. As a drying method, for example, drying by a hot plate and drying by a drying furnace can be applied.

次に、第1層10と分散液層とを熱処理して、界面活性剤と分散溶媒とを除去し、第1層10と第2層14との積層構造が得られる(ステップS206)。   Next, the first layer 10 and the dispersion liquid layer are heat-treated to remove the surfactant and the dispersion solvent, and a laminated structure of the first layer 10 and the second layer 14 is obtained (step S206).

第1層10の上に形成された分散液層の熱処理は、例えば、電気炉、ガス炉、および遠赤外線加熱炉等で行うことができる。以下、分散液層の熱処理における加熱温度を、第2熱処理温度と呼ぶ。   The heat treatment of the dispersion layer formed on the first layer 10 can be performed in, for example, an electric furnace, a gas furnace, a far infrared heating furnace, or the like. Hereinafter, the heating temperature in the heat treatment of the dispersion layer is referred to as a second heat treatment temperature.

第2熱処理温度は、分散液の原料となる界面活性剤の分解温度以上とすることができる。例えば、第2熱処理温度は、摂氏220度以上とすることができる。第2熱処理温度を摂氏220度以上とすることで、量産性を確保できる速さで分散液層中から界面活性剤を除去することが容易になる。   The second heat treatment temperature can be equal to or higher than the decomposition temperature of the surfactant that is the raw material of the dispersion. For example, the second heat treatment temperature can be set to 220 degrees Celsius or higher. By setting the second heat treatment temperature to 220 degrees Celsius or higher, it becomes easy to remove the surfactant from the dispersion layer at a speed that can ensure mass productivity.

第2熱処理温度は、摂氏:240度以上とすることができる。第2熱処理温度を摂氏:240度以上とすることで、界面活性剤をカーボン層の1重量%以下まで除去することが容易になる。   The second heat treatment temperature can be set to 240 degrees Celsius or higher. By setting the second heat treatment temperature to Celsius: 240 ° C. or more, it becomes easy to remove the surfactant to 1% by weight or less of the carbon layer.

第2熱処理温度は、摂氏:260度未満とすることができる。第2熱処理温度を摂氏:260度未満とすることで、カーボン層表面の接着性の低下が抑えられ、触媒層との接着において、高い接着力が得られる。   The second heat treatment temperature can be set to less than 260 degrees Celsius. By setting the second heat treatment temperature to less than 260 degrees Celsius, a decrease in the adhesion of the carbon layer surface is suppressed, and a high adhesive force can be obtained in the adhesion to the catalyst layer.

該熱処理は、空気中で行われてもよい。分散液層の熱処理では、例えば、界面活性剤を除去させるには十分であり、かつ、高分子樹脂の結晶化によって触媒層との接着性が低下しないように、材料、厚み、温度、時間などを設定してもよい。該熱処理により第2層14が形成される。   The heat treatment may be performed in air. In the heat treatment of the dispersion layer, for example, the material, thickness, temperature, time, etc. are sufficient to remove the surfactant and prevent the adhesion with the catalyst layer from being reduced by crystallization of the polymer resin. May be set. The second layer 14 is formed by the heat treatment.

なお、第2層14を形成する際の熱処理における加熱温度および加熱時間は、第1層10を作製する際の熱処理温度より低温とし、界面活性剤と分散溶媒とが分散液層から十分に除去され、かつ、高分子樹脂の結晶化が進行しにくい温度および時間としてもよい。すなわち、第2熱処理温度は第1熱処理温度より低くすることができる。界面活性剤および分散溶媒の残存量は、例えば、TG/DTA(示差熱・熱重量同時測定装置)等の分析結果により測定可能である。残存量は、第2層14の全重量に対して1重量%以下としてもよい。残存量は、第2層14の厚みと熱処理温度と時間とを調整することで、適宜制御できる。   Note that the heating temperature and heating time in the heat treatment for forming the second layer 14 are lower than the heat treatment temperature for producing the first layer 10, and the surfactant and the dispersion solvent are sufficiently removed from the dispersion layer. In addition, the temperature and time may be set so that the crystallization of the polymer resin does not proceed easily. That is, the second heat treatment temperature can be lower than the first heat treatment temperature. The remaining amount of the surfactant and the dispersion solvent can be measured by an analysis result such as TG / DTA (differential heat / thermogravimetric simultaneous measurement device). The remaining amount may be 1 wt% or less with respect to the total weight of the second layer 14. The remaining amount can be appropriately controlled by adjusting the thickness of the second layer 14, the heat treatment temperature, and the time.

このように作製することで、第2層14の多孔度(表面積)を、第1層10の多孔度(表面積)よりも高くすることができる。第2層の多孔度(表面積)を大きくすることで、第2層14における水の濡れ性が低下し、発電反応により生成されたミストが、第2層14に付着しにくくなる。よって、第2層14において、第1層10の中よりもミストがスムーズに移動できるようになる。このように、第2層14の多孔度(表面積)を大きくすることは、第2層14の高分子樹脂量を高めることと同様の効果を奏するといえる。   By producing in this way, the porosity (surface area) of the second layer 14 can be made higher than the porosity (surface area) of the first layer 10. By increasing the porosity (surface area) of the second layer, the wettability of water in the second layer 14 decreases, and the mist generated by the power generation reaction becomes difficult to adhere to the second layer 14. Therefore, the mist can move more smoothly in the second layer 14 than in the first layer 10. Thus, it can be said that increasing the porosity (surface area) of the second layer 14 has the same effect as increasing the amount of the polymer resin of the second layer 14.

次に、第1層10および第2層14を貫通する孔16を複数形成し、ガス拡散層が得られる(ステップS207)。孔16の形成方法は特に限定されない。具体的には例えば、金属等からなるニードルを突き刺すことで孔16が形成されてもよい。或いは例えば、UVレーザやCOレーザ等のレーザを用いて孔16が形成されてもよい。或いは例えば、第1層10および第2層14を成形する際に用いられる型枠に貫通部材が設けられており、かかる型枠に材料を流し込むことで孔16が形成されてもよい。すなわち、孔16は、第1層10および第2層14の形成と同時に形成されてもよいし、第2層14が形成された後に形成されてもよい。換言すれば、ステップS207は、ステップS102ないしステップS206と同時進行的に実行されてもよい。 Next, a plurality of holes 16 penetrating the first layer 10 and the second layer 14 are formed to obtain a gas diffusion layer (step S207). The method for forming the holes 16 is not particularly limited. Specifically, for example, the hole 16 may be formed by piercing a needle made of metal or the like. Alternatively, for example, the holes 16 may be formed using a laser such as a UV laser or a CO 2 laser. Alternatively, for example, a penetrating member may be provided in a mold used when the first layer 10 and the second layer 14 are molded, and the hole 16 may be formed by pouring a material into the mold. That is, the hole 16 may be formed simultaneously with the formation of the first layer 10 and the second layer 14, or may be formed after the second layer 14 is formed. In other words, step S207 may be executed simultaneously with steps S102 to S206.

[第2実施例]
第2実施例では、第2実施形態のガス拡散層を用いた膜電極ガス拡散層接合体を作製し、発電試験を行った。
[Second Embodiment]
In the second example, a membrane electrode gas diffusion layer assembly using the gas diffusion layer of the second embodiment was produced and a power generation test was performed.

図7は、第2実施例にかかる膜電極ガス拡散層接合体の概略構成を示す断面図である。図7に示すように、第2実施例の膜電極ガス拡散層接合体は、高分子電解質膜20のカソード側の主面上にカソード触媒層18が設けられ、高分子電解質膜20のアノード側の主面上にアノード触媒層22が設けられ、カソード触媒層18の高分子電解質膜20とは反対側の主面上に燃料電池用ガス拡散層200が設けられ、アノード触媒層22の高分子電解質膜20とは反対側の主面上に燃料電池用ガス拡散層250が設けられている。   FIG. 7: is sectional drawing which shows schematic structure of the membrane electrode gas diffusion layer assembly concerning 2nd Example. As shown in FIG. 7, in the membrane electrode gas diffusion layer assembly of the second embodiment, the cathode catalyst layer 18 is provided on the cathode-side main surface of the polymer electrolyte membrane 20, and the anode side of the polymer electrolyte membrane 20 The anode catalyst layer 22 is provided on the main surface of the cathode catalyst layer, the gas diffusion layer 200 for the fuel cell is provided on the main surface of the cathode catalyst layer 18 opposite to the polymer electrolyte membrane 20, and the polymer of the anode catalyst layer 22 is provided. A fuel cell gas diffusion layer 250 is provided on the main surface opposite to the electrolyte membrane 20.

燃料電池用ガス拡散層200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る第1層10と、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、第1層10と接するように形成され、第1層10よりも撥水性の高い第2層14とを備え、第1層10および第2層14を貫通するように孔16が形成されている。第2層14は、カソード触媒層18と接触する。   The fuel cell gas diffusion layer 200 includes a first layer 10 composed of a porous member mainly composed of conductive particles and a polymer resin, and a porous layer composed mainly of conductive particles and a polymer resin. It is formed of a member, is formed so as to be in contact with the first layer 10, has a second layer 14 having higher water repellency than the first layer 10, and has a hole 16 so as to penetrate the first layer 10 and the second layer 14. Is formed. The second layer 14 is in contact with the cathode catalyst layer 18.

燃料電池用ガス拡散層250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る層24と、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、層24と接するように形成され、層24よりも撥水性の高い層26とを備え、層24および層26に孔は形成されていない。層26は、アノード触媒層22と接触する。   The fuel cell gas diffusion layer 250 includes a layer 24 composed of a porous member mainly composed of conductive particles and a polymer resin, and a porous member composed mainly of a conductive particle and a polymer resin. And a layer 26 having a higher water repellency than the layer 24, and no holes are formed in the layer 24 and the layer 26. Layer 26 is in contact with anode catalyst layer 22.

第2実施例では、第1実施例と同様の方法で、膜電極接合体を作製した。   In the second example, a membrane electrode assembly was produced in the same manner as in the first example.

第2実施例では、第1実施例と同様の方法で、第1層を作製した。   In the second example, the first layer was produced by the same method as in the first example.

次に、以下の方法で、第2層を作製した。   Next, a second layer was produced by the following method.

水151gと、界面活性剤(トライトンX)1gを容器に投入し、自公転攪拌脱泡器にて界面活性剤の分散処理を行った。続いて、アセチレンブラック(電気化学工業製、デンカブラック)10gと、PTFEディスパージョン(旭硝子製、AD911、固形分比:60重量%)5.5gとを容器に投入し、自公転攪拌脱泡器にてアセチレンブラックとPTFEの分散処理を行った。さらに、フィルター(SUS製、200メッシュ)を用いて粗大粒子を取り除いた後、自公転攪拌脱泡器を用いて脱泡処理を行うことで、分散液を得た。得られた分散液を、ホットプレート上に置かれた第1層の一方の面に、スプレー法によって塗布した。ホットプレート(60℃)により分散液のほぼ全量を乾燥により除去することで、分散液層を作製した。より具体的には、乾燥後の分散液層の重量が2.0mg/cmとなるように調整した。この後、分散液層が形成されたカーボンシートを、焼成炉にて、240℃で2時間熱処理し、分散液層中の界面活性剤の除去を行うことにより、第2層を形成し、第1層の上に第2層が積層された積層体を得た。 151 g of water and 1 g of a surfactant (Triton X) were put into a container, and the surfactant was dispersed in a self-revolving stirring deaerator. Subsequently, 10 g of acetylene black (Denka Black, manufactured by Denki Kagaku Kogyo Co., Ltd.) and 5.5 g of PTFE dispersion (Asahi Glass, AD911, solid content ratio: 60% by weight) were put into a container, and a revolving stirring deaerator. Then, acetylene black and PTFE were dispersed. Furthermore, after removing coarse particles using a filter (made by SUS, 200 mesh), a dispersion was obtained by performing a defoaming treatment using a self-revolving stirring deaerator. The obtained dispersion was applied by spraying to one side of the first layer placed on a hot plate. A dispersion layer was prepared by removing almost all of the dispersion by drying with a hot plate (60 ° C.). More specifically, the weight of the dispersion layer after drying was adjusted to 2.0 mg / cm 2 . Thereafter, the carbon sheet on which the dispersion layer is formed is heat-treated at 240 ° C. for 2 hours in a firing furnace to remove the surfactant in the dispersion layer, thereby forming a second layer, A laminate in which the second layer was laminated on one layer was obtained.

得られた積層体の透気抵抗度を、JIS−P8177:2009に基づいたガーレー試験機法(Gurley method)のB型装置により測定した結果、853秒であった。   It was 853 second as a result of measuring the air-permeable resistance of the obtained laminated body with the B type | mold apparatus of the Gurley method (Gurley method) based on JIS-P8177: 2009.

カソード用ガス拡散層については、上記方法で得られた積層体に対し、カンタル線(鉄、クロム、アルミニウム合金)からなるニードルを完全に突き刺すことで、直径230μmの貫通孔を形成した。   With respect to the cathode gas diffusion layer, a through hole having a diameter of 230 μm was formed by completely piercing a needle made of Kanthal wire (iron, chromium, aluminum alloy) into the laminate obtained by the above method.

第2実施例のガス拡散層は、第1実施例と同様、積層体に、貫通孔が千鳥状(zig−zag alignment)に配置されるように形成された。   Similarly to the first example, the gas diffusion layer of the second example was formed in the stack so that the through holes were arranged in a zig-zag alignment.

貫通孔のピッチは約3mmとし、隣接する貫通孔までの距離がいずれも約3mmとなるように配置した。貫通孔の密度は、1cmあたり11個であった。貫通孔の開口面積は、第1層の面積1cmあたり、0.0046cmであった。貫通孔の開口部の合計面積は、第1層の面積の0.46%であった。 The pitch of the through holes was about 3 mm, and the distance to adjacent through holes was about 3 mm. The density of the through holes was 11 per 1 cm 2 . The opening area of the through hole, the area 1 cm 2 per the first layer was 0.0046cm 2. The total area of the openings of the through holes was 0.46% of the area of the first layer.

アノード用ガス拡散層については、貫通孔を形成せずに、積層体をそのまま利用した。   For the gas diffusion layer for the anode, the laminate was used as it was without forming a through hole.

以上のように作製した、カソード用ガス拡散層、およびアノード用ガス拡散層を、上記方法で作製した膜電極接合体に当接させ、120℃、6kgf/cmで5分間ホットプレスを行い、触媒層とガス拡散層とを接合させることにより、第2実施例の膜電極ガス拡散層接合体を得た。 The cathode gas diffusion layer and anode gas diffusion layer produced as described above were brought into contact with the membrane electrode assembly produced by the above method, and hot-pressed at 120 ° C. and 6 kgf / cm 2 for 5 minutes, By joining the catalyst layer and the gas diffusion layer, the membrane electrode gas diffusion layer assembly of the second example was obtained.

撥水性については公知の濡れ性測定技術を用いて評価することができる。具体的には、濡れ性評価装置(DropMaster100、協和界面科学株式会社製)を用いて評価を行った。まず、第1層と第2層とを有するガス拡散層を3×5cmに切り出し、蒸留水の入ったビーカーにガス拡散層を浸漬させた状態で、真空容器に1時間放置し、ガス拡散層内に水を十分含浸させた後に、80℃にて4時間乾燥させ、濡れ状態を一定にした。次に、乾燥したガス拡散層は1cm角に切り出し、濡れ性評価装置の測定ステージにセットし、マイクロシリンジを用いて濡れ張力試験用混合液(濡れ張力27.3mN/m、和光純薬工業株式会社)を第1層および第2層ぞれぞれの表面に4μL滴下した。さらに、滴下3分後に濡れ張力試験用混合液の接触角を測定した。その結果、第1層における混合液の接触角は72度、第2層における混合液の接触角は130度となり、第1層に比べて第2層における混合液の接触角が大きく、撥水性は第1層に比べて第2層の方が高い結果となった。   The water repellency can be evaluated using a known wettability measurement technique. Specifically, the evaluation was performed using a wettability evaluation apparatus (DropMaster 100, manufactured by Kyowa Interface Science Co., Ltd.). First, a gas diffusion layer having a first layer and a second layer is cut out to 3 × 5 cm and left in a vacuum vessel for 1 hour in a state where the gas diffusion layer is immersed in a beaker containing distilled water. After sufficiently impregnating with water, it was dried at 80 ° C. for 4 hours to make the wet state constant. Next, the dried gas diffusion layer is cut into 1 cm squares, set on a measurement stage of a wettability evaluation apparatus, and a liquid mixture for wet tension test using a microsyringe (wet tension 27.3 mN / m, Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) 4 μL of each was added dropwise to the surface of each of the first layer and the second layer. Furthermore, the contact angle of the liquid mixture for wet tension test was measured 3 minutes after the dropping. As a result, the contact angle of the liquid mixture in the first layer is 72 degrees, the contact angle of the liquid mixture in the second layer is 130 degrees, and the contact angle of the liquid mixture in the second layer is larger than that of the first layer, resulting in water repellency. Was higher in the second layer than in the first layer.

[第3比較例]
第3比較例では、第2実施例と同様の方法で得られた積層体に貫通孔を形成せずにガス拡散層を作製し、これを用いて膜電極ガス拡散層接合体を作製し、発電試験を行った。
[Third comparative example]
In the third comparative example, a gas diffusion layer was produced without forming a through hole in the laminate obtained by the same method as in the second example, and a membrane electrode gas diffusion layer assembly was produced using this. A power generation test was conducted.

第3比較例では、第1実施例と同様の方法で、膜電極接合体を作製した。   In the third comparative example, a membrane electrode assembly was produced by the same method as in the first example.

第3比較例では、第2実施例と同様の方法で、積層体を作製した。   In the third comparative example, a laminate was produced by the same method as in the second example.

積層体の透気抵抗度を、JIS−P8177:2009に基づいたガーレー試験機法(Gurley method)のB型装置により測定した結果、802秒であった。   It was 802 second as a result of measuring the air resistance of a laminated body by the B type | mold apparatus of the Gurley method (Gurley method) based on JIS-P8177: 2009.

第3比較例では、カソード用ガス拡散層およびアノード用ガス拡散層の両方とも、上記積層体を、貫通孔を形成せずにそのまま利用した。   In the third comparative example, both the cathode gas diffusion layer and the anode gas diffusion layer were used as they were without forming through holes.

以上のように作製した、カソード用ガス拡散層、およびアノード用ガス拡散層を、上記方法で作製した膜電極接合体に当接させ、120℃、6kgf/cmで5分間ホットプレスを行い、触媒層とガス拡散層とを接合させることにより、第2実施例の膜電極ガス拡散層接合体を得た。 The cathode gas diffusion layer and anode gas diffusion layer produced as described above were brought into contact with the membrane electrode assembly produced by the above method, and hot-pressed at 120 ° C. and 6 kgf / cm 2 for 5 minutes, By joining the catalyst layer and the gas diffusion layer, the membrane electrode gas diffusion layer assembly of the second example was obtained.

[発電試験]
第2実施例と第3比較例のそれぞれで得られた膜電極ガス拡散層接合体を用いて発電試験を行った。発電試験の方法は、第1実施例と第1比較例と第2比較例と同様であるので、詳細な説明を省略する。
[Power generation test]
A power generation test was conducted using the membrane electrode gas diffusion layer assembly obtained in each of the second example and the third comparative example. Since the method of the power generation test is the same as that of the first embodiment, the first comparative example, and the second comparative example, detailed description is omitted.

発電試験の結果を、表2に示す。   Table 2 shows the results of the power generation test.

Figure 2014086133
Figure 2014086133

表2に示すように、第2実施例と第1比較例と第3比較例とで、単電池の電圧はそれぞれ、744mV、720mV、744mVであり、第2実施例と第3比較例とは等しく、第1比較例よりも電圧は高かった。これは、カーボンクロスを用いた第1比較例よりも、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る第1層を有する第2実施例および第3比較例の方が、電解質膜の乾燥をより効果的に防ぐことができ、発電効率が向上したためと考えられる。   As shown in Table 2, in the second example, the first comparative example, and the third comparative example, the cell voltages are 744 mV, 720 mV, and 744 mV, respectively, and the second example and the third comparative example are Equally, the voltage was higher than in the first comparative example. This is because the second example and the third comparative example having the first layer composed of the porous member mainly composed of the conductive particles and the polymer resin than the first comparative example using the carbon cloth. This is because the electrolyte membrane can be more effectively prevented from drying, and the power generation efficiency is improved.

表2に示すように、第2実施例と第1比較例と第3比較例とで、剥離箇所の数はそれぞれ、0、0、39であり、第2実施例と第1比較例とは等しくゼロであり、第3比較例よりも剥離箇所の数は大幅に少なかった。これは、透気抵抗度の高い第1層を有し貫通孔を有しない第3比較例よりも、透気抵抗度の高い第1層を有し貫通孔を有する第1実施例および透気抵抗度の低い第1比較例の方が、触媒層とガス拡散層との境界において、局所的に液体の水が溜まる領域が生じにくくなり、水の溜まった領域が発生する水圧によりガス拡散層が押し上げられにくくなったためと考えられる。   As shown in Table 2, in the second example, the first comparative example, and the third comparative example, the number of peeled portions is 0, 0, and 39, respectively, and the second example and the first comparative example are Equally zero, and the number of peeled portions was significantly smaller than in the third comparative example. This is because the first embodiment having a first layer having a high air permeability resistance and having a through hole has a first layer having a high air permeability resistance and having no through hole, and the first embodiment having the through hole. In the first comparative example having a low resistance, a region where liquid water is locally accumulated is less likely to be generated at the boundary between the catalyst layer and the gas diffusion layer, and the gas diffusion layer is generated by the water pressure at which the water accumulation region is generated. This is thought to be because it became difficult to push up.

また、第2実施例では、第1実施例と比較して、剥離箇所の数がさらに低減されていた。これは、撥水性の高い第2層を有しない第1実施例よりも、撥水性の高い第2層を有する第2実施例の方が、第2層内において、高分子電解質膜の主面と平行な方向のミストの移動が促進され、また、触媒層から第1層に移動するミストの量が少なくなったためと考えられる。すなわち、第2実施例では、第1実施例と比較して、触媒層とガス拡散層との境界において、局所的に液体の水が溜まる領域がさらに生じにくくなり、水の溜まった領域が発生する水圧によりガス拡散層が押し上げられる可能性がさらに低減されたためと考えられる。   In the second example, the number of peeled portions was further reduced as compared with the first example. This is because the main surface of the polymer electrolyte membrane in the second layer having the second layer having high water repellency is more in the second layer than in the first example having no second layer having high water repellency. This is considered to be because the movement of mist in the direction parallel to the direction was promoted and the amount of mist moving from the catalyst layer to the first layer was reduced. That is, in the second embodiment, compared to the first embodiment, a region where liquid water is locally accumulated is less likely to be generated at the boundary between the catalyst layer and the gas diffusion layer, and a region where water is accumulated is generated. This is probably because the possibility that the gas diffusion layer is pushed up by the water pressure is further reduced.

以上まとめると、第2実施例では、電圧については第3比較例と同程度の良好な結果を示し、剥離箇所の数については第1比較例と同程度であり、第1実施例以上に良好な結果を示した。すなわち、第2実施例のガス拡散層は、低加湿運転と室温起動との組合せにおいて、高分子電解質膜の乾燥を防ぎながら適切に発電することと、ガス拡散層が触媒層から剥離し変形する可能性を低減することという、相反する課題をさらに効果的に解決できることが分かった。   In summary, in the second example, the voltage is as good as that in the third comparative example, and the number of peeled portions is the same as that in the first comparative example, which is better than the first example. Showed a good result. That is, the gas diffusion layer of the second embodiment generates power appropriately while preventing drying of the polymer electrolyte membrane, and the gas diffusion layer peels off from the catalyst layer and deforms in a combination of low humidification operation and room temperature startup. It has been found that the conflicting problem of reducing the possibility can be solved more effectively.

(第3実施形態)
第3実施形態の燃料電池用ガス拡散層は、第1実施形態および第2実施形態およびそれらの変形例の燃料電池用ガス拡散層であって、孔の開口面積が、燃料電池用ガス拡散層の主面の面積の0.1%以上1.2%以下である。
(Third embodiment)
The gas diffusion layer for a fuel cell according to the third embodiment is a gas diffusion layer for a fuel cell according to the first embodiment, the second embodiment, and modifications thereof, and the opening area of the hole is a gas diffusion layer for a fuel cell. It is 0.1% or more and 1.2% or less of the area of the main surface.

上記燃料電池用ガス拡散層において、孔の開口面積が、燃料電池用ガス拡散層の主面の面積の0.3%以上1.1%以下であってもよい。   In the fuel cell gas diffusion layer, the opening area of the holes may be not less than 0.3% and not more than 1.1% of the area of the main surface of the fuel cell gas diffusion layer.

上記燃料電池用ガス拡散層において、孔の開口面積が、燃料電池用ガス拡散層の主面の面積の0.5%以上1.0%以下であってもよい。   In the fuel cell gas diffusion layer, the opening area of the holes may be not less than 0.5% and not more than 1.0% of the area of the main surface of the fuel cell gas diffusion layer.

[第3実施形態における検討]
本発明者らは、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た燃料電池用ガス拡散層を用いた燃料電池の発電効率を向上させるべく鋭意検討した。その結果、以下の知見を得た。
[Examination in the third embodiment]
The present inventors diligently studied to improve the power generation efficiency of a fuel cell using a fuel cell gas diffusion layer composed of a porous member mainly composed of conductive particles and a polymer resin. As a result, the following knowledge was obtained.

すなわち、検討対象となった燃料電池は、ガス拡散層の透気度が低いため、供給されるガスの露点が燃料電池の温度に比べて低い場合であっても、高分子電解質膜の乾燥を防ぎながら適切に発電することができた。ところが、検討対象となった燃料電池は、燃料電池の温度が低い状態から発電を開始する場合に、ガス拡散層が変形するという問題が生じることを見出した。   That is, the fuel cell under study has a low gas permeability of the gas diffusion layer, so that the polymer electrolyte membrane is dried even when the dew point of the supplied gas is lower than the temperature of the fuel cell. We were able to generate electricity properly while preventing it. However, it has been found that the fuel cell to be studied has a problem that the gas diffusion layer is deformed when power generation is started from a state where the temperature of the fuel cell is low.

これは触媒層とガス拡散との境界に局部的に水が溜まる領域が形成され、かかる領域において発生する水圧によりガス拡散層が押し上げられ、ガス拡散層が触媒層から剥離するからである。   This is because a region where water is locally accumulated is formed at the boundary between the catalyst layer and the gas diffusion, the gas diffusion layer is pushed up by the water pressure generated in the region, and the gas diffusion layer is separated from the catalyst layer.

これに対し、ガス拡散層に孔を設けることで、滞留した水を孔から排水することを想到した。これにより孔の直下では、触媒層が外気と接しているため、圧力が大気圧に近くなるとともに、孔周辺で水圧が発生しても圧力の低い孔へ水が流れ、滞留による水圧上昇を軽減することができる。   On the other hand, by providing a hole in the gas diffusion layer, it was conceived that the accumulated water is drained from the hole. As a result, the catalyst layer is in contact with the outside air just below the hole, so that the pressure is close to atmospheric pressure, and even if water pressure is generated around the hole, water flows into the low-pressure hole, reducing the increase in water pressure due to stagnation. can do.

しかしながら、更なる検討を加えた結果、ガス拡散層に貫通孔を設ける場合において、孔の開口面積が大きすぎると、触媒層および電解質膜が乾燥し、燃料電池の寿命が短くなる可能性があることが判明した。原因としては、以下のようなメカニズムが考えられた。   However, as a result of further studies, when the through hole is provided in the gas diffusion layer, if the opening area of the hole is too large, the catalyst layer and the electrolyte membrane may be dried and the life of the fuel cell may be shortened. It has been found. The following mechanism was considered as the cause.

すなわち、孔が設けられると、孔の内部では、比較的乾燥した酸化剤ガスまたは燃料ガスに触媒層が直接露出することになる。このため、触媒層の乾燥が加速し、触媒上での電気化学反応が円滑に行われなくなる。その結果、ラジカルの発生量が増加すると共に、ラジカルを洗い流す生成水の量も少なくなり、電解質膜の化学的な分解が加速する。   That is, when the hole is provided, the catalyst layer is directly exposed to the relatively dry oxidant gas or fuel gas inside the hole. For this reason, drying of the catalyst layer is accelerated, and the electrochemical reaction on the catalyst is not smoothly performed. As a result, the generation amount of radicals increases and the amount of generated water that flushes radicals decreases, and the chemical decomposition of the electrolyte membrane is accelerated.

セパレータの流路に面した部位では、ガス拡散層がセパレータのリブによって固定されておらず、変形が起こりやすい。セパレータの流路に面した部位では、ガス濃度が高くなり、乾燥による電解質膜の化学劣化も加速しやすい。例えば、セパレータの流路に沿って、ガス拡散層に適切に孔を設けることで、ガス拡散層の変形を低減しつつ、電解質膜の化学劣化も低減することができる。   In the part facing the separator flow path, the gas diffusion layer is not fixed by the rib of the separator, and deformation is likely to occur. In the part facing the separator flow path, the gas concentration is high, and the chemical deterioration of the electrolyte membrane due to drying tends to be accelerated. For example, by appropriately providing holes in the gas diffusion layer along the flow path of the separator, it is possible to reduce chemical deterioration of the electrolyte membrane while reducing deformation of the gas diffusion layer.

[装置構成]
本実施形態の燃料電池用ガス拡散層は、孔の開口面積を除けば、第1実施形態および第2実施形態およびそれらの変形例の燃料電池用ガス拡散層と同様の構成としうる。よって、孔の開口面積以外については、詳細な説明を省略する。
[Device configuration]
The gas diffusion layer for a fuel cell according to this embodiment can have the same configuration as the gas diffusion layer for a fuel cell according to the first and second embodiments and their modifications, except for the opening area of the holes. Therefore, a detailed description other than the opening area of the hole is omitted.

本実施形態において、孔(孔12および孔16、以下「孔」)の開口面積は、燃料電池用ガス拡散層の主面の面積の0.1%以上1.2%以下である。孔の開口面積が、燃料電池用ガス拡散層の主面の面積の0.3%以上1.1%以下であってもよい。孔の開口面積が、燃料電池用ガス拡散層の主面の面積の0.5%以上1.0%以下であってもよい。   In the present embodiment, the opening area of the holes (holes 12 and 16, hereinafter referred to as “holes”) is 0.1% or more and 1.2% or less of the area of the main surface of the fuel cell gas diffusion layer. The opening area of the holes may be 0.3% or more and 1.1% or less of the area of the main surface of the fuel cell gas diffusion layer. The opening area of the holes may be not less than 0.5% and not more than 1.0% of the area of the main surface of the fuel cell gas diffusion layer.

孔が形成されると、たとえ孔の開口面積が小さくても、ガス拡散層の変形を低減する効果は得られる。よって、孔の開口面積の下限は、下記の実験例を参照しつつ、0より大きい所定の値に適宜設定されうる。   When the hole is formed, the effect of reducing the deformation of the gas diffusion layer can be obtained even if the opening area of the hole is small. Therefore, the lower limit of the opening area of the hole can be appropriately set to a predetermined value larger than 0 with reference to the following experimental example.

孔の開口面積が大きくなると、電解質膜の化学劣化が進行しやすくなる。よって、孔の開口面積の上限は、下記の実験例を参照しつつ、適宜設定されうる。   When the opening area of the hole increases, chemical degradation of the electrolyte membrane easily proceeds. Therefore, the upper limit of the opening area of the hole can be appropriately set with reference to the following experimental example.

本実施形態において、孔の径は、30μm以上、300μm以下であってもよい。孔の径が、50μm以上275μm以下であってもよい。孔の径が、80μm以上、250μm以下であってもよい。   In the present embodiment, the hole diameter may be not less than 30 μm and not more than 300 μm. The diameter of the hole may be 50 μm or more and 275 μm or less. The hole diameter may be not less than 80 μm and not more than 250 μm.

本実施形態において、孔のピッチは、0.8mm以上3.2mm以下であってもよい。孔のピッチが、1mm以上3mm以下であってもよい。孔のピッチは、ガス流路に平行な方向のピッチx(孔の中心から隣接する孔の中心までの距離、以下同様)と、ガス流路と直角な方向のピッチy(ガス流路に平行に並ぶように孔を列状に形成した場合における、隣接する列についての孔の中心を通る線同士の距離、以下同様)とが異なっていてもよい。   In the present embodiment, the pitch of the holes may be 0.8 mm or greater and 3.2 mm or less. 1 mm or more and 3 mm or less may be sufficient as the pitch of a hole. The pitch of the holes is the pitch x in the direction parallel to the gas flow path (distance from the center of the hole to the center of the adjacent hole, the same applies hereinafter) and the pitch y in the direction perpendicular to the gas flow path (parallel to the gas flow path). When the holes are formed in a row so as to line up with each other, the distance between lines passing through the centers of the holes in adjacent rows (the same applies hereinafter) may be different.

図8は、第3実施形態における孔のピッチを説明する模式図である。図8に示す例では、孔が千鳥状(ガス流路30に直角な方向に隣接する孔12の列が、半周期ずつずれる構成)に配置されており、ガス流路30に平行な方向のピッチxが、ガス流路30と直角な方向のピッチyよりも大きくなっている。なお、本実施形態では、ガス拡散層自体にガス流路は形成されていない。図8に示すガス流路30は、ガス拡散層を燃料電池に組み込む際に用いられるセパレータに形成されているガス流路(一部)の方向を示す。ガス流路は、例えば、流路の幅を1mm、流路のピッチを2mmとし、隣接する5本の流路を一単位としてガス拡散層の端で隙間なく折り返すように構成することができる。   FIG. 8 is a schematic diagram for explaining the pitch of holes in the third embodiment. In the example shown in FIG. 8, the holes are arranged in a staggered pattern (a configuration in which the rows of holes 12 adjacent to each other in a direction perpendicular to the gas flow path 30 are shifted by half a cycle), and in a direction parallel to the gas flow path 30. The pitch x is larger than the pitch y in the direction perpendicular to the gas flow path 30. In the present embodiment, no gas flow path is formed in the gas diffusion layer itself. The gas flow path 30 shown in FIG. 8 shows the direction of the gas flow path (part) formed in the separator used when incorporating the gas diffusion layer into the fuel cell. For example, the gas flow path can be configured so that the width of the flow path is 1 mm, the pitch of the flow paths is 2 mm, and the adjacent five flow paths are folded as a unit at the end of the gas diffusion layer without a gap.

なお、本実施形態において、孔は必ずしも等間隔に形成される必要はない。例えば、孔のピッチがガス拡散層の主面の位置によって異なっていてもよい。孔がガス拡散層の主面の一部にのみ形成されてもよい。   In the present embodiment, the holes are not necessarily formed at regular intervals. For example, the pitch of the holes may be different depending on the position of the main surface of the gas diffusion layer. A hole may be formed only in a part of the main surface of the gas diffusion layer.

第3実施形態のガス拡散層においても、第1実施形態および第2実施形態と同様の変形が可能である。   The gas diffusion layer of the third embodiment can be modified in the same manner as in the first and second embodiments.

[製造方法]
本実施形態の燃料電池用ガス拡散層の製造方法は、第1実施形態および第2実施形態およびそれらの変形例の燃料電池用ガス拡散層の製造方法と同様としうる。よって、詳細な説明を省略する。第3実施形態のガス拡散層の製造方法においても、第1実施形態および第2実施形態と同様の変形が可能である。
[Production method]
The manufacturing method of the fuel cell gas diffusion layer of the present embodiment can be the same as the manufacturing method of the fuel cell gas diffusion layer of the first and second embodiments and their modifications. Therefore, detailed description is omitted. Also in the manufacturing method of the gas diffusion layer of the third embodiment, the same modifications as those of the first embodiment and the second embodiment are possible.

[第3比較例]
第3比較例のサンプルは、孔を形成しなかった。具体的には、第2実施形態の第3比較例と同様の方法で膜電極ガス拡散層接合体のサンプルを作製した。
[Third comparative example]
The sample of the third comparative example did not form a hole. Specifically, a sample of the membrane electrode gas diffusion layer assembly was produced in the same manner as in the third comparative example of the second embodiment.

[第3実施例]
第3実施例では、孔の開口面積をガス拡散層の主面の面積の0.52%としてガス拡散層を作製した。第3実施例では、第2実施形態と同様、第1層の上に第2層を形成し、第1層および第2層の両方を貫通するように孔を形成した。
[Third embodiment]
In the third example, the gas diffusion layer was fabricated by setting the opening area of the holes to 0.52% of the area of the main surface of the gas diffusion layer. In the third example, similarly to the second embodiment, the second layer was formed on the first layer, and the hole was formed so as to penetrate both the first layer and the second layer.

第3実施例のサンプルは、ニードルを用いて孔を形成した。孔径はニードル径(約230μm)とほぼ等しい。孔のピッチは、ガス流路に平行な方向のピッチxが3.0mm、ガス流路に直角な方向のピッチyが2.6mmであった。孔は、千鳥状(ガス流路に直角な方向に隣接する孔の列が、半周期ずつずれる構成)に配置した。ガス拡散層の形状は、140mm×140mmの正方形とした。ガス拡散層の主面の面積が19600mmであり、孔1個の面積が0.042mmであり、孔の個数が2450個であり、孔の開口面積が102mmである。よって、第3実施例における孔の開口面積は、燃料電池用ガス拡散層の主面の面積の0.52%である。その他の構成については、第2実施形態の第2実施例と同様とすることで、膜電極ガス拡散層接合体を得た。 In the sample of the third example, a hole was formed using a needle. The hole diameter is almost equal to the needle diameter (about 230 μm). As for the pitch of the holes, the pitch x in the direction parallel to the gas flow path was 3.0 mm, and the pitch y in the direction perpendicular to the gas flow path was 2.6 mm. The holes were arranged in a zigzag shape (a configuration in which a row of holes adjacent to each other in a direction perpendicular to the gas flow path is shifted by a half cycle). The shape of the gas diffusion layer was a 140 mm × 140 mm square. The area of the main surface of the gas diffusion layer is 19600mm 2, 1 single area hole is 0.042 mm 2, a number of holes 2450 pieces, the opening area of the holes is 102 mm 2. Therefore, the opening area of the hole in the third embodiment is 0.52% of the area of the main surface of the fuel cell gas diffusion layer. About the other structure, it was set as the 2nd Example of 2nd Embodiment, and the membrane electrode gas diffusion layer assembly was obtained.

[第4実施例]
第4実施例では、孔の開口面積をガス拡散層の主面の面積の0.97%としてガス拡散層を作製した。第4実施例では、第2実施形態と同様、第1層の上に第2層を形成し、第1層および第2層の両方を貫通するように孔を形成した。
[Fourth embodiment]
In the fourth example, the gas diffusion layer was fabricated by setting the opening area of the holes to 0.97% of the area of the main surface of the gas diffusion layer. In the fourth example, similarly to the second embodiment, the second layer was formed on the first layer, and the hole was formed so as to penetrate both the first layer and the second layer.

第4実施例のサンプルは、UVレーザを用いて孔を形成した。孔径は約100μmであった。孔のピッチは、ガス流路に平行な方向のピッチxが1.8mm、ガス流路に直角な方向のピッチyが1.2mmであった。孔は、千鳥状(ガス流路に直角な方向に隣接する孔の列が、半周期ずつずれる構成)に配置した。ガス拡散層の形状は、140mm×140mmの正方形とした。ガス拡散層の主面の面積が19600mmであり、孔1個の面積が0.0079mmであり、孔の個数が24300個であり、孔の開口面積が191mmである。よって、第4実施例における孔の開口面積は、燃料電池用ガス拡散層の主面の面積の0.97%である。その他の構成については、第2実施形態の第2実施例と同様とすることで、膜電極ガス拡散層接合体を得た。 In the sample of the fourth example, holes were formed using a UV laser. The pore diameter was about 100 μm. As for the pitch of the holes, the pitch x in the direction parallel to the gas flow path was 1.8 mm, and the pitch y in the direction perpendicular to the gas flow path was 1.2 mm. The holes were arranged in a zigzag shape (a configuration in which a row of holes adjacent to each other in a direction perpendicular to the gas flow path is shifted by a half cycle). The shape of the gas diffusion layer was a 140 mm × 140 mm square. The area of the main surface of the gas diffusion layer is 19600 mm 2 , the area of one hole is 0.0079 mm 2 , the number of holes is 24300, and the opening area of the holes is 191 mm 2 . Therefore, the opening area of the hole in the fourth embodiment is 0.97% of the area of the main surface of the fuel cell gas diffusion layer. About the other structure, it was set as the 2nd Example of 2nd Embodiment, and the membrane electrode gas diffusion layer assembly was obtained.

[第4比較例]
第4比較例では、孔の開口面積をガス拡散層の主面の面積の1.56%としてガス拡散層を作製した。第4比較例では、第2実施形態と同様、第1層の上に第2層を形成し、第1層および第2層の両方を貫通するように孔を形成した。
[Fourth Comparative Example]
In the fourth comparative example, the gas diffusion layer was fabricated with the opening area of the holes being 1.56% of the area of the main surface of the gas diffusion layer. In the fourth comparative example, as in the second embodiment, the second layer was formed on the first layer, and the hole was formed so as to penetrate both the first layer and the second layer.

第4比較例のサンプルは、UVレーザを用いて孔を形成した。孔径は約100μmであった。孔のピッチは、ガス流路に平行な方向のピッチxが1mm、ガス流路に直角な方向のピッチyが1.2mmであった。孔は、千鳥状(ガス流路に直角な方向に隣接する孔の列が、半周期ずつずれる構成)に配置した。ガス拡散層の形状は、140mm×140mmの正方形とした。ガス拡散層の主面の面積が19600mmであり、孔1個の面積が0.0079mmであり、孔の個数が39050個であり、孔の開口面積が307mmである。よって、第4比較例における孔の開口面積は、燃料電池用ガス拡散層の主面の面積の1.56%である。その他の構成については、第2実施形態の第2実施例と同様とすることで、膜電極ガス拡散層接合体を得た。 In the sample of the fourth comparative example, holes were formed using a UV laser. The pore diameter was about 100 μm. As for the pitch of the holes, the pitch x in the direction parallel to the gas flow path was 1 mm, and the pitch y in the direction perpendicular to the gas flow path was 1.2 mm. The holes were arranged in a zigzag shape (a configuration in which a row of holes adjacent to each other in a direction perpendicular to the gas flow path is shifted by a half cycle). The shape of the gas diffusion layer was a 140 mm × 140 mm square. The area of the main surface of the gas diffusion layer is 19600 mm 2 , the area of one hole is 0.0079 mm 2 , the number of holes is 39,050, and the opening area of the holes is 307 mm 2 . Therefore, the opening area of the hole in the fourth comparative example is 1.56% of the area of the main surface of the fuel cell gas diffusion layer. About the other structure, it was set as the 2nd Example of 2nd Embodiment, and the membrane electrode gas diffusion layer assembly was obtained.

[発電試験]
第3比較例、第3実施例、第4実施例、第4比較例について、得られた膜電極ガス拡散層接合体のサンプルを用いて発電試験を行い、フッ化物イオンの溶出量を測定すると共に、ガス拡散層の変形箇所の計数を行った。試験内容は以下のとおりである。
[Power generation test]
About a 3rd comparative example, 3rd Example, 4th Example, and a 4th comparative example, a power generation test is performed using the sample of the obtained membrane electrode gas diffusion layer assembly, and the elution amount of fluoride ion is measured. At the same time, the deformation locations of the gas diffusion layer were counted. The contents of the test are as follows.

各サンプルについて、流路の形成されたセパレータを用いて、燃料電池を作製した。すなわち、膜電極ガス拡散層接合体を、燃料ガス供給用のガス流路および冷却水流路を有するセパレータと、酸化剤ガス供給用のガス流路を有するセパレータとで挟持し、カソードおよびアノードの周囲にフッ素ゴム製のガスケットを配置することで単電池とした。有効電極(アノードまたはカソード)面積は196cmである。 About each sample, the fuel cell was produced using the separator in which the flow path was formed. That is, the membrane electrode gas diffusion layer assembly is sandwiched between a separator having a gas flow path for supplying a fuel gas and a cooling water flow path and a separator having a gas flow path for supplying an oxidant gas, and around the cathode and the anode. A single cell was obtained by arranging a gasket made of fluoro rubber. The effective electrode (anode or cathode) area is 196 cm 2 .

フッ化物イオンの溶出量については、まず、第3比較例、第3実施例、第4実施例、第4比較例のそれぞれについて1個ずつ作製した単電池の温度を摂氏65度に維持し、アノード側のガス流路に燃料ガスとして水素ガスと二酸化炭素との混合ガス(水素ガス75%、二酸化炭素25%)を供給し、カソード側のガス流路に空気を供給した。水素ガス利用率は70%、空気利用率は40%とした。燃料ガスおよび空気は、いずれも露点が摂氏約65度となるように加湿してから単電池に供給した。それぞれの単電池を電流密度0.2A/cmで12時間発電させることで、単電池のエージング(活性化処理)を行った。 Regarding the elution amount of fluoride ions, first, the temperature of the single cell produced for each of the third comparative example, the third example, the fourth example, and the fourth comparative example is maintained at 65 degrees Celsius, A mixed gas of hydrogen gas and carbon dioxide (75% hydrogen gas and 25% carbon dioxide) was supplied as a fuel gas to the gas flow path on the anode side, and air was supplied to the gas flow path on the cathode side. The hydrogen gas utilization rate was 70%, and the air utilization rate was 40%. The fuel gas and air were both humidified so that the dew point was about 65 degrees Celsius, and then supplied to the unit cell. Each cell was subjected to power generation at a current density of 0.2 A / cm 2 for 12 hours, thereby aging the cell (activation process).

その後、以下のように低加湿での室温起動を行った。まず、各単電池について、発電を停止させ、単電池の温度を室温(摂氏約25度)まで低下させた。その後、燃料ガスの露点を摂氏65度としてアノードに供給し、空気は加湿せずに乾燥した状態の空気(露点=摂氏零下[マイナス]45度)をカソードに供給し、各単電池について、電流密度0.25A/cmで発電を開始(起動)させた。さらに、発電開始後に単電池の温度を摂氏65度まで上昇させた。かかるプロセスは、発電開始時の単電池の温度が室温であり、かつカソードに供給される空気が加湿されていないため、室温低加湿起動と呼ぶ。 Then, room temperature start-up with low humidification was performed as follows. First, power generation was stopped for each unit cell, and the temperature of the unit cell was lowered to room temperature (about 25 degrees Celsius). After that, the dew point of the fuel gas is supplied to the anode with a dew point of 65 degrees Celsius, and the air is supplied without being humidified and dried air (dew point = 45 degrees Celsius [minus] 45 degrees) is supplied to the cathode. Power generation was started (started up) at a density of 0.25 A / cm 2 . Furthermore, the temperature of the unit cell was raised to 65 degrees Celsius after the start of power generation. This process is called room temperature low humidification start-up because the temperature of the unit cell at the start of power generation is room temperature and the air supplied to the cathode is not humidified.

該室温低加湿起動を約500回繰り返した後、カソード側およびアノード側のガス流路から排出される液体中のフッ化物イオン濃度を、液体クロマトグラフィーを用いて測定することで、発電中の電解質膜から排出されるフッ化物イオン溶出量を評価した。フッ化物イオン溶出量については、膜電極ガス拡散層接合体、特に電解質膜について、所定の膜厚の時に経時的に溶出されるフッ化物イオン量を用いて、膜破断に至る総溶出量に達するまでの期間を計算し、これが燃料電池に求められる所望の寿命以上となるか否かという基準により評価した。   After repeating the room temperature low humidification start about 500 times, the concentration of fluoride ions in the liquid discharged from the gas flow paths on the cathode side and the anode side is measured using liquid chromatography, so that the electrolyte during power generation The elution amount of fluoride ions discharged from the membrane was evaluated. Regarding the elution amount of fluoride ions, the membrane electrode gas diffusion layer assembly, particularly the electrolyte membrane, reaches the total elution amount that leads to membrane rupture using the amount of fluoride ions eluted over time at a predetermined film thickness. The period until the time was calculated and evaluated based on whether or not this exceeded the desired life required for the fuel cell.

上記のように室温低加湿起動を約500回繰り返した後の各サンプルについて、以下のように高加湿での室温起動を行った。まず、各単電池について、発電を停止させ、単電池の温度を室温(摂氏約25度)まで低下させた。その後、燃料ガスの露点は摂氏:60度としてアノードに供給し、空気は露点が摂氏65度となるように加湿してカソードに供給し、各単電池について、電流密度0.25A/cmで発電を開始(起動)させた。さらに、発電開始後に単電池の温度を摂氏65度まで上昇させた。かかるプロセスは、発電開始時の単電池の温度が室温であり、かつカソードに供給される空気が加湿されているため、室温高加湿起動と呼ぶ。 About each sample after repeating room temperature low humidification start about 500 times as mentioned above, room temperature start by high humidification was performed as follows. First, power generation was stopped for each unit cell, and the temperature of the unit cell was lowered to room temperature (about 25 degrees Celsius). Thereafter, the dew point of the fuel gas is supplied to the anode at 60 degrees Celsius, and the air is humidified and supplied to the cathode so that the dew point is 65 degrees Celsius. For each unit cell, the current density is 0.25 A / cm 2 . Power generation was started (started up). Furthermore, the temperature of the unit cell was raised to 65 degrees Celsius after the start of power generation. This process is called room temperature high humidification start-up because the temperature of the unit cell at the start of power generation is room temperature and the air supplied to the cathode is humidified.

該室温高加湿起動を約100回繰り返した後、燃料電池を解体し、カソード側のガス拡散層が膜電極接合体から剥離している箇所の数を計数した。なお、剥離している箇所とは、ガス拡散層が膜電極接合体から若干浮いた状態になっている部分を指す。いずれのサンプルについても、アノード側では、ガス拡散層が剥離している箇所は見つからなかった。   After the room temperature high humidification start-up was repeated about 100 times, the fuel cell was disassembled, and the number of locations where the cathode-side gas diffusion layer was peeled off from the membrane electrode assembly was counted. Note that the peeled portion refers to a portion where the gas diffusion layer is slightly lifted from the membrane electrode assembly. In any sample, no portion where the gas diffusion layer was peeled off was found on the anode side.

発電試験の結果を表3に示す。   Table 3 shows the results of the power generation test.

Figure 2014086133
Figure 2014086133

表3に示すように、フッ化物イオンの溶出量は、第4比較例では所望の寿命を充たし得ず、不良となったが、第3比較例、第3実施例、第4実施例では所望の寿命を満たし得る程度に小さかった。一方、剥離箇所の数は、第4実施例および第4比較例では0個であり、第3実施例では3個であり、第3比較例では76個であった。   As shown in Table 3, the elution amount of fluoride ions failed to satisfy the desired life in the fourth comparative example, but was inferior, but desired in the third comparative example, the third example, and the fourth example. It was small enough to meet the lifespan. On the other hand, the number of peeled portions was 0 in the fourth example and the fourth comparative example, 3 in the third example, and 76 in the third comparative example.

すなわち、第4比較例はフッ化物イオンの溶出量が多く、第3比較例では剥離箇所の数が多かった。一方、第3実施例および第4実施例は、フッ化物イオンの溶出量および剥離箇所の数のいずれも好適であった。   That is, the fourth comparative example had a large amount of fluoride ion elution, and the third comparative example had a large number of peeled portions. On the other hand, in the third example and the fourth example, both the elution amount of fluoride ions and the number of peeled portions were suitable.

以上の結果から、孔の開口面積と燃料電池用ガス拡散層の主面の面積との比率を好適な範囲内に設定することで、ガス拡散層の変形を低減しつつ、電解質膜の化学劣化も低減することができることが確認された。   From the above results, by setting the ratio of the opening area of the hole and the area of the main surface of the gas diffusion layer for the fuel cell within a suitable range, the chemical deterioration of the electrolyte membrane can be achieved while reducing the deformation of the gas diffusion layer. It was also confirmed that it can be reduced.

(第4実施形態)
第4実施形態の燃料電池用ガス拡散層は、第1実施形態およびその変形例の燃料電池用ガス拡散層であって、孔は、燃料電池用ガス拡散層を貫通しないように形成されている。
(Fourth embodiment)
The fuel cell gas diffusion layer of the fourth embodiment is the fuel cell gas diffusion layer of the first embodiment and its modifications, and the holes are formed so as not to penetrate the fuel cell gas diffusion layer. .

上記燃料電池用ガス拡散層において、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る第1層と、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、第1層と接するように形成され、第1層よりも撥水性の高い第2層とを有し、孔は、第1層を貫通するように形成されていてもよい。   In the gas diffusion layer for a fuel cell, a first layer composed of a porous member mainly composed of conductive particles and a polymer resin, and a porous member composed mainly of conductive particles and a polymer resin And a second layer having higher water repellency than the first layer, and the hole may be formed so as to penetrate the first layer.

上記燃料電池用ガス拡散層において、孔は、第2層を貫通しないように形成されていてもよい。   In the gas diffusion layer for a fuel cell, the hole may be formed so as not to penetrate the second layer.

第4実施形態の燃料電池は、電解質膜と、電解質膜の主面に接する電極層と、電極層に第2層が接するように配置された上記燃料電池用ガス拡散層とを備え、孔の内部にアノード電極層およびカソード電極層および電解質膜のいずれもが露出しない。   A fuel cell according to a fourth embodiment includes an electrolyte membrane, an electrode layer in contact with the main surface of the electrolyte membrane, and the gas diffusion layer for a fuel cell arranged so that the second layer is in contact with the electrode layer. None of the anode electrode layer, the cathode electrode layer, or the electrolyte membrane is exposed inside.

第4実施形態の燃料電池用ガス拡散層の製造方法は、第1実施形態およびその変形例の燃料電池用ガス拡散層の製造方法である。すなわち、導電性粒子と高分子樹脂と界面活性剤と分散溶媒とを混ぜて均質な分散液を得て、孔が形成された後の第1層上に分散液を塗工および乾燥して第1層よりも薄い分散液層を形成する。この分散液層が形成された第1層を、第1熱処理温度よりも低い第2熱処理温度で熱処理して分散液層から界面活性剤と分散溶媒とを除去して、第1層の上に第1層よりも撥水性の高い第2層を得ること、を含む。   The manufacturing method of the fuel cell gas diffusion layer of the fourth embodiment is the manufacturing method of the fuel cell gas diffusion layer of the first embodiment and its modifications. That is, conductive particles, a polymer resin, a surfactant, and a dispersion solvent are mixed to obtain a homogeneous dispersion, and the dispersion is applied and dried on the first layer after the pores are formed. A dispersion layer thinner than one layer is formed. The first layer on which the dispersion layer is formed is heat-treated at a second heat treatment temperature lower than the first heat treatment temperature to remove the surfactant and the dispersion solvent from the dispersion layer, and on the first layer. Obtaining a second layer having a higher water repellency than the first layer.

[第4実施形態における検討]
本発明者らは、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た燃料電池用ガス拡散層を用いた燃料電池の発電効率を向上させるべく鋭意検討した。その結果、以下の知見を得た。
[Examination in Fourth Embodiment]
The present inventors diligently studied to improve the power generation efficiency of a fuel cell using a fuel cell gas diffusion layer composed of a porous member mainly composed of conductive particles and a polymer resin. As a result, the following knowledge was obtained.

すなわち、検討対象となった燃料電池は、ガス拡散層の透気度が低いため、供給されるガスの露点が燃料電池の温度に比べて低い場合であっても、高分子電解質膜の乾燥を防ぎながら適切に発電することができた。ところが、検討対象となった燃料電池は、燃料電池の温度が低い状態から発電を開始する場合に、ガス拡散層が変形するという問題が生じることを見出した。   That is, the fuel cell under study has a low gas permeability of the gas diffusion layer, so that the polymer electrolyte membrane is dried even when the dew point of the supplied gas is lower than the temperature of the fuel cell. We were able to generate electricity properly while preventing it. However, it has been found that the fuel cell to be studied has a problem that the gas diffusion layer is deformed when power generation is started from a state where the temperature of the fuel cell is low.

これは触媒層とガス拡散との境界に局部的に水が溜まる領域が形成され、かかる領域において発生する水圧によりガス拡散層が押し上げられ、ガス拡散層が触媒層から剥離するからである。   This is because a region where water is locally accumulated is formed at the boundary between the catalyst layer and the gas diffusion, the gas diffusion layer is pushed up by the water pressure generated in the region, and the gas diffusion layer is separated from the catalyst layer.

これに対し、ガス拡散層に孔を設けることで、滞留した水を孔から排水することを想到した。これにより孔の直下では、触媒層が外気と接しているため、圧力が大気圧に近くなるとともに、孔周辺で水圧が発生しても圧力の低い孔へ水が流れ、滞留による水圧上昇を軽減することができる。   On the other hand, by providing a hole in the gas diffusion layer, it was conceived that the accumulated water is drained from the hole. As a result, the catalyst layer is in contact with the outside air just below the hole, so that the pressure is close to atmospheric pressure, and even if water pressure is generated around the hole, water flows into the low-pressure hole, reducing the increase in water pressure due to stagnation. can do.

しかしながら、更なる検討を加えた結果、ガス拡散層に孔を設ける場合において、ガス拡散層を貫通するように孔を形成すると、電圧が低下し、或いは触媒および電解質膜が劣化する場合があることが判明した。原因としては、以下のようなメカニズムが考えられた。   However, as a result of further studies, when a hole is formed in the gas diffusion layer, if the hole is formed so as to penetrate the gas diffusion layer, the voltage may decrease or the catalyst and the electrolyte membrane may deteriorate. There was found. The following mechanism was considered as the cause.

すなわち、ガス拡散層を貫通するように孔が形成されると、ガス拡散層に比べで触媒層の撥水性は低いため、孔の内部に露出した撥水性の低い触媒層上に液水が凝集しやすくなる(フラッディング)。特に、燃料電池システムの起動時には、低温となるため、飽和蒸気圧も低くなる。よって、孔の内部およびその周囲においてさらに液水が滞留しやすくなる。孔の内部およびその周囲において、触媒層の表面に液水が滞留すると、当該部位へのガスの拡散が阻害され、電池反応が円滑に進行しにくくなり、電圧が低下する。   That is, when a hole is formed so as to penetrate the gas diffusion layer, the water repellency of the catalyst layer is lower than that of the gas diffusion layer, so liquid water aggregates on the catalyst layer with low water repellency exposed inside the hole. Easier to flood (flooding). In particular, when the fuel cell system is started, the saturated vapor pressure is lowered because of the low temperature. Therefore, liquid water is more likely to stay in and around the hole. If liquid water stays on the surface of the catalyst layer in and around the pores, gas diffusion to the relevant site is hindered, the battery reaction does not proceed smoothly, and the voltage decreases.

また、ガス拡散層を貫通するように孔が形成されると、孔の内部にはガス拡散層が存在しないため、触媒層表面からの集電(power collection)が行なえなくなる。カソード側のガス拡散層に形成された孔の付近では、触媒層に含まれる触媒において電子が不足し、反応が円滑に進行しない状態で、かつ、高い電圧が印加された状態で、触媒が酸化剤ガスに曝されることになる。その結果、触媒の凝集劣化(sintering)が進行したり、ラジカルが発生して電解質膜の劣化が加速する可能性がある。   In addition, when a hole is formed so as to penetrate the gas diffusion layer, since there is no gas diffusion layer inside the hole, current collection from the surface of the catalyst layer (power collection) cannot be performed. In the vicinity of the hole formed in the gas diffusion layer on the cathode side, the catalyst is oxidized in a state where electrons are insufficient in the catalyst contained in the catalyst layer, the reaction does not proceed smoothly, and a high voltage is applied. It will be exposed to the agent gas. As a result, aggregation of the catalyst may progress, or radicals may be generated to accelerate deterioration of the electrolyte membrane.

かかる課題に対し、本発明者らは、ガス拡散層を貫通しないように孔を形成することで、電圧を向上でき、或いは触媒および電解質膜の劣化を低減できることを発見した。   In response to this problem, the present inventors have found that the voltage can be improved or the deterioration of the catalyst and the electrolyte membrane can be reduced by forming the holes so as not to penetrate the gas diffusion layer.

特に、撥水性の高い第2層を設け、孔が第2層を貫通しないように形成すると、孔の内部およびその周囲における液水の滞留が発生しにくくなり、起動時の電圧も高くなることを見出した。第2層は、触媒において発生したミストを触媒表面(触媒層とガス拡散層との界面)で凝集させずに、第1層へと運搬する機能を有する。また、第2層は集電機能をも有する。   In particular, if a second layer with high water repellency is provided and the holes are formed so as not to penetrate the second layer, liquid water is less likely to stay in and around the holes, and the voltage at start-up also increases. I found. The second layer has a function of transporting mist generated in the catalyst to the first layer without aggregating on the catalyst surface (interface between the catalyst layer and the gas diffusion layer). The second layer also has a current collecting function.

[装置構成]
図9は、第4実施形態にかかるガス拡散層の概略構成の一例を示す断面図である。以下、図9を参照しつつ、第4実施形態の燃料電池用ガス拡散層300について説明する。
[Device configuration]
FIG. 9 is a cross-sectional view illustrating an example of a schematic configuration of a gas diffusion layer according to the fourth embodiment. Hereinafter, the fuel cell gas diffusion layer 300 of the fourth embodiment will be described with reference to FIG.

図9に例示するように、燃料電池用ガス拡散層300は、第1層10と第2層15とを備える。すなわち、以下では、ガス拡散層が2つの層で形成されている場合を説明する。なお、ガス拡散層に第1層および第2層以外の層が含まれてもよい。ガス拡散層が第1層のみで構成されてもよい。   As illustrated in FIG. 9, the fuel cell gas diffusion layer 300 includes a first layer 10 and a second layer 15. That is, hereinafter, a case where the gas diffusion layer is formed of two layers will be described. The gas diffusion layer may include a layer other than the first layer and the second layer. The gas diffusion layer may be composed of only the first layer.

燃料電池用ガス拡散層300は、例えば、基材として炭素繊維等を用いないガス拡散層(いわゆる、基材レスGDL)として形成されうる。   The fuel cell gas diffusion layer 300 can be formed, for example, as a gas diffusion layer (so-called substrate-less GDL) that does not use carbon fiber or the like as a substrate.

第1層10は、これを貫通する孔の符号が12から17に変更されている点を除き、材料、大きさ、形状、製造方法等は、第1実施形態の第1層10と同様とすることができる。第2層15は、孔が形成されていない点を除き、材料、大きさ、形状、製造方法等は、第2実施形態の第2層14と同様とすることができる。   The first layer 10 has the same material, size, shape, manufacturing method, and the like as the first layer 10 of the first embodiment, except that the sign of the hole penetrating the first layer 10 is changed from 12 to 17. can do. The material, size, shape, manufacturing method, and the like of the second layer 15 can be the same as those of the second layer 14 of the second embodiment, except that no hole is formed.

すなわち、本実施形態の燃料電池用ガス拡散層は、孔がガス拡散層を貫通していない点を除けば、第1実施形態および第2実施形態およびそれらの変形例の燃料電池用ガス拡散層と同様の構成としうる。よって、孔17以外の構成については、詳細な説明を省略する。   That is, the fuel cell gas diffusion layer of the present embodiment is the same as the fuel cell gas diffusion layer of the first and second embodiments and their modifications, except that the holes do not penetrate the gas diffusion layer. It can be set as the same structure. Therefore, detailed description of the configuration other than the holes 17 is omitted.

本実施形態において、孔17は、燃料電池用ガス拡散層300を貫通しないように形成されている。   In the present embodiment, the holes 17 are formed so as not to penetrate the fuel cell gas diffusion layer 300.

図9に示す例では、孔17は第1層10を貫通すると共に、第2層15は貫通しない。図9に示す例では、孔17が第2層15には全く形成されていないが、第2層15を貫通しない範囲で、第2層15にも孔17が形成されていてもよい。第2層15を構成する材料が、第1層10を貫通する孔17の一部に入り込んでいてもよい。   In the example shown in FIG. 9, the hole 17 penetrates the first layer 10 and does not penetrate the second layer 15. In the example shown in FIG. 9, the hole 17 is not formed at all in the second layer 15, but the hole 17 may be formed in the second layer 15 as long as it does not penetrate the second layer 15. The material constituting the second layer 15 may enter a part of the hole 17 penetrating the first layer 10.

図9に示す例では、孔17が第1層10を貫通しているが、孔17が第1層10を貫通しなくてもよい。具体的には、例えば、第2層15と反対側の主面から厚み方向に延び、孔17の内部に第2層15が露出しないように形成されていてもよい。   In the example shown in FIG. 9, the hole 17 penetrates the first layer 10, but the hole 17 does not have to penetrate the first layer 10. Specifically, for example, the second layer 15 may be formed so as to extend in the thickness direction from the main surface opposite to the second layer 15 so that the second layer 15 is not exposed inside the hole 17.

第1実施形態で例示したように、ガス拡散層が単一の層で構成される場合には、孔は、例えば、単一の層の一方の主面から厚み方向に延びるように、かつ、他方の主面まで達しないように、形成されうる。   As exemplified in the first embodiment, when the gas diffusion layer is formed of a single layer, the holes extend, for example, in the thickness direction from one main surface of the single layer, and It can be formed so as not to reach the other main surface.

第2実施形態で例示したように、ガス拡散層が第1層と第2層とで構成される場合には、孔は、例えば、第1層を貫通するように形成されてもよい。さらに、孔は、第2層を貫通しないように形成されてもよい。すなわち、孔は、第1層の主面のうち、第2層と反対側の主面から厚み方向に延びるように、かつ、第1層を貫通しで第2層の内部に延び、かつ、第2層の主面のうち、第1層と反対側の主面まで達しないように、形成されうる。   As exemplified in the second embodiment, when the gas diffusion layer is composed of the first layer and the second layer, the hole may be formed so as to penetrate the first layer, for example. Furthermore, the hole may be formed so as not to penetrate the second layer. That is, the hole extends from the main surface of the first layer in the thickness direction from the main surface opposite to the second layer, and extends through the first layer into the second layer; and The main surface of the second layer can be formed so as not to reach the main surface opposite to the first layer.

本実施形態において、燃料電池は、電解質膜と、電解質膜の主面に接するように設けられた電極層と、電極層の主面に第2層が接するように設けられた上記ガス拡散層とを備え、孔の内部にアノード電極層およびカソード電極層および電解質膜のいずれもが露出しないように構成されうる。   In this embodiment, the fuel cell includes an electrolyte membrane, an electrode layer provided so as to be in contact with the main surface of the electrolyte membrane, and the gas diffusion layer provided so that the second layer is in contact with the main surface of the electrode layer. And the anode electrode layer, the cathode electrode layer, and the electrolyte membrane are not exposed inside the hole.

なお、本実施形態において、孔は必ずしも等間隔に形成される必要はない。例えば、孔のピッチがガス拡散層の主面の位置によって異なっていてもよい。孔がガス拡散層の主面の一部にのみ形成されてもよい。   In the present embodiment, the holes are not necessarily formed at regular intervals. For example, the pitch of the holes may be different depending on the position of the main surface of the gas diffusion layer. A hole may be formed only in a part of the main surface of the gas diffusion layer.

第4実施形態のガス拡散層においても、第1実施形態および第2実施形態および第3実施形態と同様の変形が可能である。   Also in the gas diffusion layer of the fourth embodiment, the same modifications as those of the first embodiment, the second embodiment, and the third embodiment are possible.

[製造方法]
図10は、第4実施形態にかかるガス拡散層の製造方法の一例を示すフローチャートである。以下、図10を参照しつつ、第4実施形態のガス拡散層の製造方法について説明する。
[Production method]
FIG. 10 is a flowchart showing an example of a method for producing a gas diffusion layer according to the fourth embodiment. Hereinafter, the manufacturing method of the gas diffusion layer of the fourth embodiment will be described with reference to FIG.

ステップS301〜S303については、第1実施形態のステップS101〜S103と同様とすることができるので、詳細な説明を省略する。   Since steps S301 to S303 can be the same as steps S101 to S103 of the first embodiment, detailed description thereof is omitted.

ステップS303で第1層10が得られると、第1層10を貫通する孔17が複数形成される(ステップS304)。孔17の形成方法は特に限定されない。具体的には例えば、金属等からなるニードルを突き刺すことで孔17が形成されてもよい。或いは例えば、UVレーザやCOレーザ等のレーザを用いて孔17が形成されてもよい。或いは例えば、第1層10を成形する際に用いられる型枠に貫通部材が設けられており、かかる型枠に材料を流し込むことで孔17が形成されてもよい。すなわち、孔17は、第1層の形成と同時に形成されてもよいし、第1層が形成された後に形成されてもよい。 When the first layer 10 is obtained in step S303, a plurality of holes 17 penetrating the first layer 10 are formed (step S304). The formation method of the hole 17 is not specifically limited. Specifically, for example, the hole 17 may be formed by piercing a needle made of metal or the like. Alternatively, for example, the holes 17 may be formed using a laser such as a UV laser or a CO 2 laser. Alternatively, for example, a penetrating member may be provided in a mold used when the first layer 10 is molded, and the hole 17 may be formed by pouring a material into the mold. That is, the hole 17 may be formed simultaneously with the formation of the first layer, or may be formed after the first layer is formed.

次に、以下の方法で、第2層15が形成される。   Next, the second layer 15 is formed by the following method.

まず、導電性粒子と高分子樹脂と界面活性剤と分散溶媒とを混合することで、分散液が得られる(ステップS305)。ステップS305については、第2実施形態のステップS204と同様とすることができるので、詳細な説明を省略する。   First, a dispersion liquid is obtained by mixing conductive particles, a polymer resin, a surfactant, and a dispersion solvent (step S305). Since step S305 can be the same as step S204 of the second embodiment, detailed description thereof is omitted.

次に、第1層10の上に分散液を塗工および乾燥して第1層よりも薄い分散液層を形成する(ステップS306)。ステップS306については、第2実施形態のステップS205と同様とすることができるので、詳細な説明を省略する。   Next, the dispersion liquid is applied and dried on the first layer 10 to form a dispersion liquid layer thinner than the first layer (step S306). Since step S306 can be the same as step S205 of the second embodiment, a detailed description thereof will be omitted.

次に、第1層10と分散液層とを熱処理して、界面活性剤と分散溶媒とを除去し、第1層10と第2層15との積層構造を有する燃料電池用ガス拡散層が得られる(ステップS307)。ステップS307については、第2実施形態のステップS206と同様とすることができるので、詳細な説明を省略する。   Next, the first layer 10 and the dispersion layer are heat-treated to remove the surfactant and the dispersion solvent, and a fuel cell gas diffusion layer having a laminated structure of the first layer 10 and the second layer 15 is formed. Is obtained (step S307). Since step S307 can be the same as step S206 of the second embodiment, detailed description thereof is omitted.

なお、第1層10を成形する際に用いられる型枠に貫通部材が設けられており、かかる型枠に材料を流し込むことで孔17が形成されてもよい。すなわち、孔17は、第1層10の形成と同時に形成されてもよいし、第1層10が形成された後に形成されてもよい。換言すれば、ステップS304は、ステップS303〜S307と同時進行的に実行されてもよい。   The penetrating member may be provided in a mold used when the first layer 10 is molded, and the hole 17 may be formed by pouring a material into the mold. That is, the holes 17 may be formed simultaneously with the formation of the first layer 10 or may be formed after the first layer 10 is formed. In other words, step S304 may be executed simultaneously with steps S303 to S307.

第4実施形態のガス拡散層の製造方法においても、第1実施形態および第2実施形態および第3実施形態と同様の変形が可能である。   Also in the gas diffusion layer manufacturing method of the fourth embodiment, the same modifications as those of the first embodiment, the second embodiment, and the third embodiment are possible.

[第2実施例]
第2実施例では、第1層と第2層とを有するガス拡散層につき、第1層および第2層の両方を貫通するように孔を形成した。具体的には、第2実施形態の第2実施例と同様の方法で膜電極ガス拡散層接合体のサンプルを作製した。第2実施例のサンプル数は2である。
[Second Embodiment]
In the second example, a hole was formed in the gas diffusion layer having the first layer and the second layer so as to penetrate both the first layer and the second layer. Specifically, a sample of the membrane electrode gas diffusion layer assembly was produced in the same manner as in the second example of the second embodiment. The number of samples in the second embodiment is two.

[第5実施例]
第5実施例では、第1層と第2層とを有するガス拡散層につき、第1層のみを貫通するように孔を形成した。具体的には、第5実施例のサンプルは、以下の方法で作製した。第5実施例のサンプル数は5である。
[Fifth embodiment]
In the fifth example, a hole was formed in the gas diffusion layer having the first layer and the second layer so as to penetrate only the first layer. Specifically, the sample of the fifth example was produced by the following method. The number of samples in the fifth embodiment is five.

第1実施例と同様の方法で、膜電極接合体を作製した。   A membrane electrode assembly was produced in the same manner as in the first example.

第1実施例と同様の方法で、第1層を作製した。   A first layer was produced in the same manner as in the first example.

得られた第1層について、第1実施例と同様の方法で、孔を形成した。孔は千鳥状(zig−zag alignment)に配置されるように形成された。孔のピッチは約3mmとし、隣接する孔までの距離がいずれも約3mmとなるように配置した。孔の密度は、1cmあたり11個であった。孔の開口面積は、第1層の面積1cmあたり、0.0046cmであった。孔の開口部の合計面積は、第1層の面積の0.46%であった。 About the obtained 1st layer, the hole was formed by the method similar to 1st Example. The holes were formed so as to be arranged in a zig-zag alignment. The pitch of the holes was about 3 mm, and the distance to adjacent holes was about 3 mm. The density of the holes was 11 per cm 2 . The opening area of the holes, the area 1 cm 2 per the first layer was 0.0046cm 2. The total area of the openings of the holes was 0.46% of the area of the first layer.

孔が形成された第1層について、第2実施例と同様の方法で第2層を形成し、第1層の上に第2層が積層された積層体を得た。   About the 1st layer in which the hole was formed, the 2nd layer was formed by the same method as the 2nd example, and the layered product in which the 2nd layer was laminated on the 1st layer was obtained.

アノード用ガス拡散層については、孔を形成せずに、第1実施形態と同様の方法で得られた積層体をそのまま利用した。   For the anode gas diffusion layer, the laminate obtained by the same method as in the first embodiment was used as it was without forming holes.

その他の構成については、第2実施形態の第2実施例と同様とすることで、膜電極ガス拡散層接合体を得た。   About the other structure, it was set as the 2nd Example of 2nd Embodiment, and the membrane electrode gas diffusion layer assembly was obtained.

[第3比較例]
第5実施例では、第1層と第2層とを有するガス拡散層につき、孔を形成しないものである。具体的には、第2実施形態の第3比較例と同様の方法で膜電極ガス拡散層接合体のサンプルを作製した。なお、第3実験例については、電圧の測定は行わず、剥離箇所の数のみ測定した。
[Third comparative example]
In the fifth embodiment, no hole is formed in the gas diffusion layer having the first layer and the second layer. Specifically, a sample of the membrane electrode gas diffusion layer assembly was produced in the same manner as in the third comparative example of the second embodiment. In addition, about the 3rd experiment example, the measurement of a voltage was not performed but only the number of peeling locations was measured.

[発電試験]
第2実施例、第5実施例、第3比較例について、得られた膜電極ガス拡散層接合体のサンプルを用いて発電試験を行い、電圧の測定と、ガス拡散層の変形箇所の計数とを行った。試験内容は以下のとおりである。
[Power generation test]
About 2nd Example, 5th Example, and a 3rd comparative example, a power generation test was performed using the sample of the obtained membrane electrode gas diffusion layer assembly, voltage measurement, and counting of deformation locations of the gas diffusion layer Went. The contents of the test are as follows.

各サンプルについて、流路の形成されたセパレータを用いて、燃料電池を作製した。すなわち、膜電極ガス拡散層接合体を、燃料ガス供給用のガス流路および冷却水流路を有するセパレータと、酸化剤ガス供給用のガス流路を有するセパレータとで挟持し、カソードおよびアノードの周囲にフッ素ゴム製のガスケットを配置することで単電池とした。有効電極(アノードまたはカソード)面積は196cmである。各実施例および比較例毎に、4個の単電池を直列に接続したスタックを1個ずつ作製し、発電試験を行った。 About each sample, the fuel cell was produced using the separator in which the flow path was formed. That is, the membrane electrode gas diffusion layer assembly is sandwiched between a separator having a gas flow path for supplying a fuel gas and a cooling water flow path and a separator having a gas flow path for supplying an oxidant gas, and around the cathode and the anode. A single cell was obtained by arranging a gasket made of fluoro rubber. The effective electrode (anode or cathode) area is 196 cm 2 . For each example and comparative example, a stack in which four unit cells were connected in series was produced one by one, and a power generation test was conducted.

電圧の測定については、まず、第2実施例と第5実施例と第3比較例とのそれぞれについてスタック の温度を、摂氏65度に制御し、アノード側のガス流路に燃料ガスとして水素ガスと二酸化炭素との混合ガス(水素ガス75%、二酸化炭素25%)を供給し、カソード側のガス流路に空気を供給した。水素ガス利用率は70%、空気利用率は40%とした。燃料ガスおよび空気は、いずれも露点が摂氏約65度となるように加湿してからスタックに供給した。それぞれのスタックを電流密度0.2A/cmで12時間発電させることで、スタックのエージング(活性化処理)を行った。 Regarding voltage measurement, first, the stack temperature was controlled to 65 degrees Celsius for each of the second embodiment, the fifth embodiment, and the third comparative example, and hydrogen gas as a fuel gas was supplied to the anode-side gas flow path. A gas mixture of hydrogen and carbon dioxide (hydrogen gas 75%, carbon dioxide 25%) was supplied, and air was supplied to the gas flow path on the cathode side. The hydrogen gas utilization rate was 70%, and the air utilization rate was 40%. The fuel gas and air were both humidified so that the dew point was about 65 degrees Celsius before being supplied to the stack. Each stack was subjected to power generation at a current density of 0.2 A / cm 2 for 12 hours, thereby aging the stack (activation process).

その後、以下のように低加湿での室温起動を行った。まず、各スタックについて、発電を停止させ、さらにスタックの温度を室温(摂氏約25度)まで低下させた。その後、燃料ガスの露点を摂氏65度としてアノードに供給し、空気は加湿せずに乾燥した状態の空気(露点=摂氏零下[マイナス]45度)をカソードに供給し、各スタックについて、電流密度0.25A/cmで発電を開始(起動)させた。さらに、発電開始後にスタックの温度を摂氏65度まで上昇させた。かかるプロセスは、発電開始時のスタックの温度が室温であり、かつカソードに供給される空気が加湿されていないため、室温低加湿起動と呼ぶ。 Then, room temperature start-up with low humidification was performed as follows. First, power generation was stopped for each stack, and the temperature of the stack was further lowered to room temperature (about 25 degrees Celsius). After that, the fuel gas dew point is supplied to the anode at 65 degrees Celsius, and the air is dried without supplying air (dew point = 45 degrees Celsius [minus] 45 degrees Celsius). Power generation was started (activated) at 0.25 A / cm 2 . Furthermore, the stack temperature was raised to 65 degrees Celsius after the start of power generation. Such a process is called room temperature low humidification start-up because the temperature of the stack at the start of power generation is room temperature and the air supplied to the cathode is not humidified.

起動後約30分経過した段階で、低温下での発電により触媒表面に液水が滞留して、電圧が最も低下する。起動後4時間を経過すると、セル内部が乾燥し、触媒表面の液水もほぼ消滅する。その結果、電圧が上昇し、電圧変動の少ない安定した発電が可能となる。そこで、エージング完了後、再び室温低加湿起動を実行し、起動後、30経過後の電圧と、起動後4時間経過後の電圧とを比較することにした。なお電圧は、スタックを構成する4個の単電池のそれぞれについて個別に測定した。   At about 30 minutes after startup, liquid water stays on the surface of the catalyst due to power generation at a low temperature, and the voltage decreases most. When 4 hours have elapsed after startup, the inside of the cell is dried, and the liquid water on the catalyst surface almost disappears. As a result, the voltage rises and stable power generation with little voltage fluctuation becomes possible. Therefore, after completion of aging, room temperature low humidification start-up was executed again, and the voltage after 30 lapses after start-up was compared with the voltage after 4 hours lapse after start-up. The voltage was individually measured for each of the four unit cells constituting the stack.

上記のように室温低加湿起動を実行して電圧を測定した後の各サンプルについて、 以下のように高加湿での室温起動を行った。まず、各スタックについて、発電を停止させ、さらにスタック温度を室温(摂氏約25度)まで低下させた。その後、燃料ガスの露点を摂氏:60度としてアノードに供給し、空気は露点が摂氏65度となるように加湿してカソードに供給し、各スタックについて、電流密度0.25A/cmで発電を開始(起動)させた。さらに、発電開始後にスタックの温度を摂氏65度まで上昇させた。かかるプロセスは、発電開始時のスタックの温度が室温であり、かつカソードに供給される空気が加湿されているため、室温高加湿起動と呼ぶ。 About each sample after performing the room temperature low humidification start-up as mentioned above and measuring a voltage, the room temperature start-up with high humidification was performed as follows. First, power generation was stopped for each stack, and the stack temperature was further lowered to room temperature (about 25 degrees Celsius). Thereafter, the fuel gas is supplied to the anode at a dew point of 60 degrees Celsius, the air is humidified so that the dew point is 65 degrees Celsius, and supplied to the cathode, and each stack generates power at a current density of 0.25 A / cm 2 Was started (activated). Furthermore, the stack temperature was raised to 65 degrees Celsius after the start of power generation. Such a process is called room temperature high humidification start-up because the temperature of the stack at the start of power generation is room temperature and the air supplied to the cathode is humidified.

該室温高加湿起動を約100回繰り返した後、燃料電池を解体し、カソード側のガス拡散層が膜触媒層接合体から剥離している箇所の数を計数した。なお、剥離している箇所とは、ガス拡散層が膜触媒層接合体から若干浮いた状態になっている部分を指す。いずれのサンプルについても、アノード側では、ガス拡散層が剥離している箇所は見つからなかった。   After the room temperature high humidification start-up was repeated about 100 times, the fuel cell was disassembled, and the number of locations where the cathode-side gas diffusion layer was peeled off from the membrane catalyst layer assembly was counted. Note that the peeled portion refers to a portion where the gas diffusion layer is slightly lifted from the membrane-catalyst layer assembly. In any sample, no portion where the gas diffusion layer was peeled off was found on the anode side.

発電試験の結果を表4に示す。   Table 4 shows the results of the power generation test.

Figure 2014086133
Figure 2014086133

表4に示すように、起動後30分経過した後の電圧は、第2実施例では738±2mVであったのに対し、第5実施例では750±3mVと顕著に高かった。電圧の差は、約12mVであり、これは第2実施例の平均電圧738mVの1.6%に相当する。すなわち、孔が第2層を貫通していない場合(第5実施例)の方が、孔が第2層を貫通している場合(第2実施例)よりも、起動後30分経過した後の電圧は約1.6%高くなった。   As shown in Table 4, the voltage after 30 minutes from the start-up was 738 ± 2 mV in the second example, whereas it was remarkably high at 750 ± 3 mV in the fifth example. The voltage difference is about 12 mV, which corresponds to 1.6% of the average voltage of 738 mV in the second embodiment. That is, when the hole does not penetrate the second layer (fifth embodiment), after 30 minutes have passed since the start-up, compared with the case where the hole penetrates the second layer (second embodiment). The voltage was about 1.6% higher.

これに対し、起動後4時間30分経過した後の電圧は、第2実施例では756±1mVであったの対し、第5実施例では752±1mVとほとんど差がなかった。すなわち、孔が第2層を貫通していない場合(第5実施例)は、孔が第2層を貫通している場合(第2実施例)と比較して、起動後4時間30分経過した後の電圧は同程度であった。   On the other hand, the voltage after 4 hours and 30 minutes after the start-up was 756 ± 1 mV in the second example, whereas it was almost the same as 752 ± 1 mV in the fifth example. That is, when the hole does not penetrate the second layer (fifth embodiment), 4 hours and 30 minutes have elapsed since the start-up, compared with the case where the hole penetrates the second layer (second embodiment). The voltage after the test was similar.

剥離箇所の数は、第3比較例では4個の単電池のいずれについても30個以上 であったが、第2実施例および第5実施例では4個の単電池のいずれについても0個 であり、いずれもガス拡散層の変形を適切に低減できていることが分かった。   In the third comparative example, the number of peeled portions was 30 or more for all four unit cells, but in the second and fifth examples, the number of peeled portions was zero for all four unit cells. In both cases, it was found that the deformation of the gas diffusion layer could be appropriately reduced.

以上の結果から、ガス拡散層を貫通しないように孔を形成することで、ガス拡散層の変形を低減しつつ、起動時の電圧を向上することができることが確認された。   From the above results, it was confirmed that by forming the holes so as not to penetrate the gas diffusion layer, it is possible to improve the starting voltage while reducing the deformation of the gas diffusion layer.

上記説明から、当業者にとっては、本発明の多くの改良や他の実施形態が明らかである。従って、上記説明は、例示としてのみ解釈されるべきであり、本発明を実行する最良の態様を当業者に教示する目的で提供されたものである。本発明の精神を逸脱することなく、その構造および/又は機能の詳細を実質的に変更できる。   From the foregoing description, many modifications and other embodiments of the present invention are obvious to one skilled in the art. Accordingly, the foregoing description should be construed as illustrative only and is provided for the purpose of teaching those skilled in the art the best mode of carrying out the invention. Details of the structure and / or function may be substantially changed without departing from the spirit of the invention.

(第5実施形態)
第5実施形態の燃料電池セルは、第1〜第4実施形態で説明したガス拡散層を用いた燃料電池セルであって、ガス拡散層の孔はすべてセパレータの流路部に対応する位置に形成されている。以下、その装置構成、製造方法について説明する。
(Fifth embodiment)
The fuel cell of the fifth embodiment is a fuel cell using the gas diffusion layer described in the first to fourth embodiments, and all the holes of the gas diffusion layer are located at positions corresponding to the flow path portions of the separator. Is formed. The apparatus configuration and manufacturing method will be described below.

[装置構成]
1.燃料電池:
図15は、一般的な燃料電池の概略図である。
[Device configuration]
1. Fuel cell:
FIG. 15 is a schematic view of a general fuel cell.

この燃料電池は、固体高分子型燃料電池であって、基本単位である燃料電池セルを複数枚積層し、集電板61、絶縁板62、端板63で両側から所定の荷重で締結したものである。集電板61には、電流取り出し端子部が設けられており、発電時にここから電流を取り出す。絶縁板62は、集電板61と端板63の間を絶縁すると共に、図示しないガスや冷却水の導入口、排出口を設ける場合もある。端板63は、複数枚積層された燃料電池セル60と集電板61、絶縁板62を図示しない加圧手段によって所定の荷重で締結、保持している。   This fuel cell is a polymer electrolyte fuel cell, in which a plurality of fuel cells, which are basic units, are stacked and fastened with a predetermined load from both sides by a current collecting plate 61, an insulating plate 62, and an end plate 63 It is. The current collecting plate 61 is provided with a current extraction terminal portion, from which current is extracted during power generation. The insulating plate 62 insulates between the current collecting plate 61 and the end plate 63 and may be provided with a gas or cooling water inlet / outlet (not shown). The end plate 63 fastens and holds a plurality of stacked fuel cells 60, a current collecting plate 61, and an insulating plate 62 with a predetermined load by a pressing means (not shown).

燃料電池セル60は、膜電極ガス拡散層接合体55を2枚のセパレータ56で 挟み込んだものである。セパレータ56は、ガス不透過性の導電性材料であれば良く、例えば樹脂含浸カーボン材料を所定の形状に切削したもの、カーボン粉末と樹脂材料の混合物を成形したものが一般的に用いられる。   The fuel cell 60 is obtained by sandwiching a membrane electrode gas diffusion layer assembly 55 between two separators 56. The separator 56 may be any gas-impermeable conductive material. For example, a material obtained by cutting a resin-impregnated carbon material into a predetermined shape, or a material obtained by molding a mixture of carbon powder and a resin material is generally used.

セパレータ56の膜電極ガス拡散層接合体55と接触する部分には、電極面に燃料ガス或いは酸化剤ガスを供給し、余剰ガスを運び去るためのガス流路が形成されている。セパレータ56の表面に形成されたガス流路は、例えば、入口から出口に向かって単数もしくは複数のパス(ガス流路)が複数回向きを変えて配置されるようにサーペンタイン状に形成されている。サーペンタイン状のガス流路は、互いに平行に直線的に形成された往路と復路のそれぞれの端部がターン部で連結された一続きの構造となっている。   In the portion of the separator 56 that comes into contact with the membrane electrode gas diffusion layer assembly 55, a gas flow path for supplying fuel gas or oxidant gas to the electrode surface and carrying away excess gas is formed. The gas flow path formed on the surface of the separator 56 is, for example, formed in a serpentine shape so that one or more paths (gas flow paths) are arranged in a plurality of directions from the inlet toward the outlet. . The serpentine-like gas flow path has a continuous structure in which the ends of the forward path and the return path that are linearly formed in parallel with each other are connected by a turn portion.

セパレータ56のガス流路と反対側の面には、冷却水の流路が形成されている。また、セパレータ56の側面には、燃料電池セル60への燃料ガス及び酸化剤ガスの供給及び排出のため、燃料ガス入り口マニホールドと燃料ガス出口マニホールド及び酸化剤ガス入り口マニホールドと酸化剤ガス出口マニホールドが形成されている。   A cooling water channel is formed on the surface of the separator 56 opposite to the gas channel. Further, a fuel gas inlet manifold, a fuel gas outlet manifold, an oxidant gas inlet manifold, and an oxidant gas outlet manifold are provided on the side surface of the separator 56 for supplying and discharging fuel gas and oxidant gas to and from the fuel cell 60. Is formed.

よって、燃料電池セル60を複数枚積層した燃料電池では、燃料ガス入り口マニホールド、燃料ガス出口マニホールド、酸化剤ガス入り口マニホールド、酸化剤ガス出口マニホールドがすべての燃料電池セルで連通している。なお、セパレータ56、集電板61、絶縁板62、端板63には、図示しないシール部材が配置されており、燃料ガス、及び酸化剤ガスが混ざり合ったり、外部へ漏れたりすることを防止している。   Therefore, in a fuel cell in which a plurality of fuel cells 60 are stacked, the fuel gas inlet manifold, the fuel gas outlet manifold, the oxidant gas inlet manifold, and the oxidant gas outlet manifold communicate with each other in all the fuel cells. In addition, the separator 56, the current collector plate 61, the insulating plate 62, and the end plate 63 are provided with seal members (not shown) to prevent the fuel gas and the oxidant gas from being mixed or leaking to the outside. doing.

2.「膜電極接合体」および「ガス拡散層」:
膜電極ガス拡散層接合体55は、水素イオンを選択的に輸送する高分子電解質膜51のアノード面側に、白金−ルテニウム合金触媒を担持したカーボン粉末を主成分とする触媒層52を形成し、カソード゛面側には、白金触媒を担持したカーボン粉末を主成分とする触媒層53を形成し、触媒層外面に、燃料ガス或いは酸化剤ガスの通気性と、電子導電性を併せ持つ燃料電池用ガス拡散層54を配置したものである。
2. “Membrane electrode assembly” and “Gas diffusion layer”:
The membrane electrode gas diffusion layer assembly 55 forms a catalyst layer 52 mainly composed of carbon powder carrying a platinum-ruthenium alloy catalyst on the anode surface side of the polymer electrolyte membrane 51 that selectively transports hydrogen ions. A catalyst layer 53 composed mainly of carbon powder carrying a platinum catalyst is formed on the cathode surface side, and a fuel cell having both air permeability of fuel gas or oxidant gas and electronic conductivity on the outer surface of the catalyst layer. The gas diffusion layer 54 is disposed.

高分子電解質膜51は、通常、側鎖にスルホン酸基やカルボン酸基等のイオン交換基を有する高分子膜からなる。高分子電解質膜51は、特定のイオンと強固に結合し、陽イオンまたは陰イオンを選択的に透過する性質を有する。   The polymer electrolyte membrane 51 is usually composed of a polymer membrane having ion exchange groups such as sulfonic acid groups and carboxylic acid groups in the side chain. The polymer electrolyte membrane 51 has a property of being firmly bonded to specific ions and selectively transmitting cations or anions.

高分子電解質膜51としては、例えば、パーフルオロスルホン酸重合体からなる膜である、ジャパンゴアテックス(株)のゴアセレクト(Gore select,登録商標) 、デュポン社(DuPont社)のナフィオン(Nafion,登録商標)、旭化成(株) のアシプレックス(Aciplex,登録商標)、旭硝子(株)のフレミオン(Flem ion,登録商標)や、各種炭化水素系電解質膜を使用できる。本実施形態においては、高分子電解質膜51の中を、プロトンが水分子を伴って移動する。高分子電解質膜51の膜厚は、例えば、5μm〜50μm、好ましくは10μm〜30μmの範囲である。高分子電解質膜の膜厚が5μmより薄くなると、機械的強度が弱くなり、発電による機械的ストレスにより高分子電解質膜が劣化し、結果として燃料電池の耐久性が悪くなる。また、高分子電解質膜の膜厚が50μmより厚くなると、プロトンの移動抵抗が大きくなり、電池電圧が低くなる。   Examples of the polymer electrolyte membrane 51 include a membrane made of perfluorosulfonic acid polymer, Gore Select (registered trademark) of Japan Gore-Tex Co., Ltd., Nafion (DuPont) of Nafion, (Registered trademark), Aciplex (registered trademark) of Asahi Kasei Corporation, Flemion (registered trademark) of Asahi Glass Co., Ltd., and various hydrocarbon electrolyte membranes can be used. In the present embodiment, protons move in the polymer electrolyte membrane 51 with water molecules. The film thickness of the polymer electrolyte membrane 51 is, for example, in the range of 5 μm to 50 μm, preferably 10 μm to 30 μm. When the film thickness of the polymer electrolyte membrane becomes thinner than 5 μm, the mechanical strength becomes weak, and the polymer electrolyte membrane deteriorates due to mechanical stress due to power generation, resulting in poor durability of the fuel cell. On the other hand, when the thickness of the polymer electrolyte membrane is greater than 50 μm, the proton transfer resistance increases and the battery voltage decreases.

触媒層52、53は、例えば、白金族金属触媒を担持したカーボン粉末とプロトン導電性を有する高分子材料とを主成分とした多孔質な部材から構成される。電極層に用いるプロトン導電性高分子材料は、上記高分子電解質膜と同じ種類であっても、異なる種類であってもよい。   The catalyst layers 52 and 53 are made of, for example, a porous member mainly composed of carbon powder supporting a platinum group metal catalyst and a polymer material having proton conductivity. The proton conductive polymer material used for the electrode layer may be the same as or different from the polymer electrolyte membrane.

触媒層で使用されるカーボンとしては、ケッチェンブラック、ファーネスブラック、チャンネルブラック、サーマルブラック、アセチレンブラック等が使用される。   Examples of carbon used in the catalyst layer include ketjen black, furnace black, channel black, thermal black, and acetylene black.

また、触媒層で使用される樹脂としては、パーフルオロスルホン酸系の固体高分子電解質の他、ポリテトラフルオロエチレン、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、ポリビニリデンフルオライド、テトラフルオロエチレン・エチレン共重合体、ポリクロロトリフルオロエチレン、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等のフッ素原子を含むポリマーであればよい。或いはこれらの共重合体、これらのモノマー単位とエチレンやスチレン等の他のモノマーとの共重合体、さらには、これらのブレンド等を用いることができる。触媒層52、53の膜厚は、例えば、1 μm〜100μm、好ましくは5μm〜20μmの範囲である。   In addition to the perfluorosulfonic acid solid polymer electrolyte, the resin used in the catalyst layer includes polytetrafluoroethylene, tetrafluoroethylene / hexafluoropropylene copolymer, polyvinylidene fluoride, tetrafluoroethylene Any polymer containing fluorine atoms, such as an ethylene copolymer, polychlorotrifluoroethylene, and tetrafluoroethylene / perfluoroalkyl vinyl ether copolymer may be used. Alternatively, these copolymers, copolymers of these monomer units and other monomers such as ethylene and styrene, and blends thereof can be used. The film thickness of the catalyst layers 52 and 53 is, for example, in the range of 1 μm to 100 μm, preferably 5 μm to 20 μm.

燃料電池用ガス拡散層54は、触媒層52、53の 表面上に配置される。燃料電池用ガス拡散層54 は、実施形態1〜3で説明したガス拡散層において、孔の配置のみを下記のように変更したものを使用する。よって、変更点以外の説明は省略する。   The fuel cell gas diffusion layer 54 is disposed on the surfaces of the catalyst layers 52 and 53. As the fuel cell gas diffusion layer 54, the gas diffusion layer described in the first to third embodiments, in which only the arrangement of the holes is changed as follows, is used. Therefore, descriptions other than the changes are omitted.

燃料電池用ガス拡散層54に形成される孔は、触媒層で生じた水を速やかにガス拡散層外部に排出するため、セパレータの流路部に対応する位置に形成する ことが好ましい。そのため、孔のパターンは、セパレータの流路パターンによって、パターンを変える必要がある。   The holes formed in the fuel cell gas diffusion layer 54 are preferably formed at positions corresponding to the flow path portions of the separator in order to quickly discharge water generated in the catalyst layer to the outside of the gas diffusion layer. Therefore, the hole pattern needs to be changed depending on the flow path pattern of the separator.

3.燃料電池セル(ガス拡散層とセパレータとの関係):
図11にセパレータの流路と貫通孔のパターンの1例を示す。
3. Fuel cell (relationship between gas diffusion layer and separator):
FIG. 11 shows an example of a separator channel and through-hole pattern.

図11(a)は、セパレータの流路パターンの模式図である。流路が並行に形成されている領域をA、流路がターンしている領域をB、流路のピッチをaとする 。次に、ガス拡散層の孔のパターン(セパレータの流路も図示している)を、図11(b)に示す。   Fig.11 (a) is a schematic diagram of the flow path pattern of a separator. An area where the flow paths are formed in parallel is A, an area where the flow path is turned is B, and a pitch of the flow paths is a. Next, a pattern of holes in the gas diffusion layer (a flow path of the separator is also illustrated) is shown in FIG.

ガス拡散層の孔12は、領域Aでy方向のピッチをb、x方向のピッチをc、領域Bで、y方向のピッチをd、x方向のピッチをeとすると、領域Aのy方向のピッチbは、b=a、領域Bでのy方向のピッチdは、d=a、領域Bでのx方向のピッチeは、e=aという関係式が成り立つように、孔12のパターンを形成する。ここで、領域Aのx方向のピッチcは、ガス拡散層の第1の層と触媒層の境界に局部的に溜まった水を排出することが可能な距離であれば良い。   The holes 12 of the gas diffusion layer are defined as follows. In the region A, the y-direction pitch is b, the x-direction pitch is c, the region B is the y-direction pitch d, and the x-direction pitch is e. The pitch b of the hole 12 is such that b = a, the pitch d in the y direction in the region B is d = a, and the pitch e in the x direction in the region B is e = a. Form. Here, the pitch c in the x direction of the region A may be a distance that allows the water locally accumulated at the boundary between the first layer and the catalyst layer of the gas diffusion layer to be discharged.

図11(b)のように、孔12を形成することにより、図12の断面図のように、孔12はすべてセパレータの流路に対応する位置に形成することができる。   By forming the holes 12 as shown in FIG. 11B, all of the holes 12 can be formed at positions corresponding to the flow paths of the separator as shown in the sectional view of FIG.

燃料電池用ガス拡散層100は、カソード側のガス拡散層として用いてもよいし、アノード側のガス拡散層として用いてもよいし、カソード側およびアノード側の両方のガス拡散層として用いても良い。発電反応によって生じる水は、主としてカソード側で発生するが、水は電解質膜を通過する。よって、流路の構成およびガスの露点等を適宜に選択することで、カソードおよびアノードのいずれの側においても、孔12を通じた排水を実現しうる。   The fuel cell gas diffusion layer 100 may be used as a cathode-side gas diffusion layer, as an anode-side gas diffusion layer, or as both a cathode-side and anode-side gas diffusion layer. good. The water generated by the power generation reaction is mainly generated on the cathode side, but the water passes through the electrolyte membrane. Therefore, drainage through the holes 12 can be realized on either the cathode or anode side by appropriately selecting the flow path configuration, gas dew point, and the like.

上述のガス拡散層を用いた燃料電池セルの構造について説明する。本実施形態の燃料電池セルは、電解質膜と、電解質膜の一方の主面に接するアノード電極層と、電解質膜の他方の主面に接するカソード電極層と、アノード電極層の主面のうち、電解質膜側と異なる側の主面に接するアノード側ガス拡散層と、カソード電極層の主面のうち、電解質膜側と異なる側の主面に接するカソード側ガス拡散層と、を備える。このとき、アノード側ガス拡散層およびカソード側ガス拡散層の少なくとも一方が、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、ガス拡散層の主面から延びる孔が複数形成され、該孔がガス拡散層を貫通するように形成されており、すべての孔がセパレータの流路部と一致するように構成されている。   The structure of the fuel cell using the above gas diffusion layer will be described. The fuel cell of the present embodiment includes an electrolyte membrane, an anode electrode layer in contact with one main surface of the electrolyte membrane, a cathode electrode layer in contact with the other main surface of the electrolyte membrane, and a main surface of the anode electrode layer, An anode side gas diffusion layer in contact with the main surface on the side different from the electrolyte membrane side, and a cathode side gas diffusion layer in contact with the main surface on the side different from the electrolyte membrane side among the main surfaces of the cathode electrode layer. At this time, at least one of the anode side gas diffusion layer and the cathode side gas diffusion layer is composed of a porous member mainly composed of conductive particles and a polymer resin, and a plurality of holes extending from the main surface of the gas diffusion layer are provided. The holes are formed so as to penetrate the gas diffusion layer, and all the holes are configured to coincide with the flow path portion of the separator.

この燃料電池セルにより、低加湿運転時にはガス拡散層の孔以外の部分における透気抵抗度は低いため、高分子電解質膜の乾燥を防ぎながら適切に発電することができる。
一方、低温起動時、高加湿運転時には、過剰な水分が、ガス拡散層の孔を通じてセパレータ流路に適宜に排出されることから、触媒層とガス拡散層との境界において、局所的に液体の水が溜まる領域が生じる可能性が低減される。よって、水の溜まった領域が発生する水圧によりガス拡散層が押し上げられる可能性が低減され、ガス拡散層が触媒層から剥離し変形する可能性が低減する。
With this fuel cell, the air permeation resistance in the portions other than the holes of the gas diffusion layer is low during the low humidification operation, so that it is possible to appropriately generate power while preventing the polymer electrolyte membrane from drying.
On the other hand, during low temperature start-up and high humidification operation, excess water is appropriately discharged to the separator flow path through the holes of the gas diffusion layer, so that liquid is locally generated at the boundary between the catalyst layer and the gas diffusion layer. The possibility of creating water accumulation areas is reduced. Therefore, the possibility that the gas diffusion layer is pushed up by the water pressure at which the water accumulation region is generated is reduced, and the possibility that the gas diffusion layer is separated from the catalyst layer and deformed is reduced.

[製造方法]
4.ガス拡散層の製造方法:
本実施形態のガス拡散層の製造方法は、孔の形成方法とガス拡散層サイズ、電極サイズ以外は第1〜第4実施形態と同じである。よって、ガス拡散層への孔形成方法についてのみ記述する。
[Production method]
4). Manufacturing method of gas diffusion layer:
The manufacturing method of the gas diffusion layer of this embodiment is the same as that of 1st-4th embodiment except the formation method of a hole, gas diffusion layer size, and electrode size. Therefore, only the method for forming holes in the gas diffusion layer will be described.

(1)ガス拡散層への孔の形成方法:
ガス拡散層への孔12の形成方法を説明する。孔12の形成方法は特に限定されない。具体的には例えば、金属等からなるニードルを突き刺すことで孔12が形成されてもよい。或いは、例えば、UVレーザやCOレーザ等のレーザを用いて孔12が形成されてもよい。或いは、例えば、第1層10を成形する際に用いられる型枠に貫通部材が設けられており、かかる型枠に材料を流し込むことで孔12が形成されてもよい。
(1) Method for forming holes in the gas diffusion layer:
A method for forming the holes 12 in the gas diffusion layer will be described. The formation method of the hole 12 is not specifically limited. Specifically, for example, the hole 12 may be formed by piercing a needle made of metal or the like. Alternatively, the hole 12 may be formed using a laser such as a UV laser or a CO 2 laser. Alternatively, for example, a penetrating member may be provided in a mold used when the first layer 10 is molded, and the hole 12 may be formed by pouring a material into the mold.

すなわち、孔12は、第1層の形成と同時に形成されてもよいし、第1層が形成された後に形成されてもよい。   That is, the hole 12 may be formed simultaneously with the formation of the first layer, or may be formed after the first layer is formed.

ニードル或いはレーザを用いた場合は、予めセパレータの流路形状に応じて決定された孔パターンに応じて、孔形成位置を加工機にプログラミングしておき、ガス拡散層に孔パターンを形成する。また、多数個のニードルを用いる場合は、セパレータの流路形状に応じて決定された孔パターンにニードルを並べて、一括或いはブロックごとに分割して孔パターンを形成する。   When a needle or a laser is used, the hole forming position is programmed in the processing machine in accordance with the hole pattern previously determined according to the flow path shape of the separator, and the hole pattern is formed in the gas diffusion layer. Further, when a large number of needles are used, the needles are arranged in a hole pattern determined according to the flow path shape of the separator, and the hole pattern is formed by batch or block division.

[第6〜8実施例]
本実施例では、第1、2、5実施例と同様の方法で膜電極接合体 を作製した。
[Sixth to eighth embodiments]
In this example, a membrane electrode assembly was produced in the same manner as in the first, second and fifth examples.

次に、第6〜8実施例に用いるカソードガス拡散層の作製方法について説明する。   Next, a method for producing the cathode gas diffusion layer used in the sixth to eighth embodiments will be described.

なお、第6実施例は、孔パターン以外は、第1実施例と同様の方法でカソードガス拡散層を作製した。   In the sixth example, a cathode gas diffusion layer was produced in the same manner as in the first example except for the hole pattern.

また、第7実施例は、孔パターン以外は、第2実施例と同様の方法でカソードガス拡散層を作製した。   In the seventh example, a cathode gas diffusion layer was produced in the same manner as in the second example except for the hole pattern.

また、第8実施例は、孔パターン以外は、第5実施例と同様の方法でカソードガス拡散層を作製した。   In the eighth example, a cathode gas diffusion layer was produced in the same manner as in the fifth example except for the hole pattern.

ガス拡散層への孔パターンの形成は、以下のように行った。   Formation of the hole pattern in the gas diffusion layer was performed as follows.

直径160μmの超硬製パンチを用いてガス拡散層に孔パターンを形成する。孔のパターンは、セパレータの流路パターンから決定する。本実施例で使用するセパレータは、図13 に示すように、流路幅1mm、リブ幅1mm、流路ピッチ2mmで、流路本数は3本、4箇所のターン部を有する。よって、孔はターン部以外は、Y方向ピッチが2mm、X方向ピッチは1.5mmとし、ターン部は、X方向、Y方向共に2mmピッチとした。   A hole pattern is formed in the gas diffusion layer using a cemented carbide punch having a diameter of 160 μm. The hole pattern is determined from the flow path pattern of the separator. As shown in FIG. 13, the separator used in this example has a channel width of 1 mm, a rib width of 1 mm, and a channel pitch of 2 mm, and the number of channels is three and has four turn portions. Therefore, except for the turn portion, the holes have a Y direction pitch of 2 mm and an X direction pitch of 1.5 mm, and the turn portions have a pitch of 2 mm in both the X direction and the Y direction.

孔を形成後、孔の孔径を測定した結果、直径160μm±30μmであることを確認した。   As a result of measuring the hole diameter after forming the hole, it was confirmed that the diameter was 160 μm ± 30 μm.

ガス拡散層の形状は、32mm×32mmの正方形とした。ガス拡散層の主面の面積が1024mmであり、孔1個の面積が0.020mmであり、孔の個数が315個であり、孔の開口面積が6.33mmである。よって、第6〜8実施例における孔の開口面積は、燃料電池用ガス拡散層の主面の面積の0.62%である。 The shape of the gas diffusion layer was a square of 32 mm × 32 mm. The area of the main surface of the gas diffusion layer is 1024 mm 2 , the area of one hole is 0.020 mm 2 , the number of holes is 315, and the opening area of the holes is 6.33 mm 2 . Therefore, the opening area of the holes in the sixth to eighth embodiments is 0.62% of the area of the main surface of the fuel cell gas diffusion layer.

なお、アノードに用いるガス拡散層としては、孔を設けないという構成以外は、実施例2に用いたカソード用ガス拡散層と同様に第1の層と第2の層を形成したものを用いた。   As the gas diffusion layer used for the anode, a layer in which the first layer and the second layer were formed was used in the same manner as the cathode gas diffusion layer used in Example 2, except that no hole was provided. .

以上のように作製した、カソード用、及びアノード用ガス拡散層を本実施例にて作製した膜電極接合体に当接させ、120℃、6kgf/cm2で5分間ホットプレスを行い、触媒層とガス拡散層とを接合させることにより、膜電極ガス拡散層接合体を得た。   The cathode and anode gas diffusion layers produced as described above were brought into contact with the membrane electrode assembly produced in this example, and hot pressing was performed at 120 ° C. and 6 kgf / cm 2 for 5 minutes, By joining the gas diffusion layer, a membrane electrode gas diffusion layer assembly was obtained.

この膜電極ガス拡散層接合体を、アノード側、カソード側ともに、図11に示すセパレータで挟持し、両セパレータ間でカソードおよびアノードの周囲にフッ素ゴム製のガスケットを配置し、有効電極面積が10.24cmである燃料電池セルを得た。 This membrane electrode gas diffusion layer assembly is sandwiched between the anode side and the cathode side by the separator shown in FIG. 11, and a fluororubber gasket is arranged around the cathode and the anode between both separators, so that the effective electrode area is 10 A fuel cell having a size of 24 cm 2 was obtained.

[第5〜8比較例]
第4〜6実施例との相違点のみ、記述する。
[Fifth to eighth comparative examples]
Only differences from the fourth to sixth embodiments will be described.

第4〜6実施例に対して、カソード用ガス拡散層の孔パターンのみ変更した。図14に示すように、ガス拡散層の孔のパターンは、全面x方向ピッチを1.5mm、y方向ピッチを1.5mmとした。   Only the hole pattern of the cathode gas diffusion layer was changed with respect to the fourth to sixth examples. As shown in FIG. 14, the hole pattern of the gas diffusion layer has an entire surface x-direction pitch of 1.5 mm and a y-direction pitch of 1.5 mm.

ガス拡散層の形状は、32mm×32mmの正方形とした。ガス拡散層の主面の面積が1024mmであり、孔1個の面積が0.020mmであり、孔の個数が441個であり、孔の開口面積が8.82mmである。よって、第6〜8実施例における孔の開口面積は、燃料電池用ガス拡散層の主面の面積の0.87%である。 The shape of the gas diffusion layer was a square of 32 mm × 32 mm. The area of the main surface of the gas diffusion layer is 1024 mm 2 , the area of one hole is 0.020 mm 2 , the number of holes is 441, and the opening area of the holes is 8.82 mm 2 . Accordingly, the opening area of the holes in the sixth to eighth embodiments is 0.87% of the area of the main surface of the fuel cell gas diffusion layer.

なお、第5比較例は、孔パターン以外は第4実施例と同様の方法で燃料電池セルを得た。   In the fifth comparative example, fuel cells were obtained in the same manner as in the fourth example except for the hole pattern.

また、第6比較例は、孔パターン以外は第5実施例と同様の方法で燃料電池セルを得た。   In the sixth comparative example, a fuel cell was obtained in the same manner as in the fifth example except for the hole pattern.

また、第7比較例は、孔パターン以外は第6実施例と同様の方法で燃料電池セルを得た。   In the seventh comparative example, fuel cells were obtained in the same manner as in the sixth example except for the hole pattern.

[発電試験]
5.発電試験の内容:
第6〜9実施例と第5〜8比較例のそれぞれで得られた燃料電池セルを用いて発電試験を行った。発電試験の方法は、第1実施形態 と同様であるので、詳細な説明を省略する。
[Power generation test]
5. Power generation test contents:
A power generation test was performed using the fuel cells obtained in the sixth to ninth examples and the fifth to eighth comparative examples. Since the method of the power generation test is the same as that of the first embodiment, detailed description thereof is omitted.

発電試験の結果を、表5に示す。   Table 5 shows the results of the power generation test.

Figure 2014086133
Figure 2014086133

上記のように、第4〜6実施例の燃料電池セルは、セパレータの流路上にガス拡散層の貫通孔が形成されているため、ガス拡散層の剥離が見られなかった 。これは、低温起動時、高加湿運転時には、過剰な水分が、ガス拡散層の孔を通じてセパレータ流路に適宜に排出されることから、触媒層とガス拡散層との境界において、局所的に液体の水が溜まる領域が生じる可能性が低減されるため、水の溜まった領域が発生する水圧によりガス拡散層が押し上げられる可能性が低減され、ガス拡散層が触媒層から剥離し変形する可能性が低減するためである。   As described above, in the fuel cells of the fourth to sixth examples, the gas diffusion layer was not peeled off because the through hole of the gas diffusion layer was formed on the flow path of the separator. This is because excessive moisture is appropriately discharged to the separator flow path through the holes of the gas diffusion layer at the time of low temperature startup and high humidification operation, so that liquid is locally applied at the boundary between the catalyst layer and the gas diffusion layer. Therefore, the possibility that the gas diffusion layer is pushed up by the water pressure generated by the water accumulation region is reduced, and the gas diffusion layer may be detached from the catalyst layer and deformed. This is because of the reduction.

それに対して、第5〜7比較例の燃料電池セルは、セパレータの流路上にガス拡散層の孔が形成されていない領域を中心に、ガス拡散層の剥離が見られた。これは、室温起動時にカソード触媒で生成した水が、ガス拡散層の孔を通じてセパレータ側に移動するが、ガス拡散層の孔がセパレータのリブにあると、生成水の排出が阻害され、ガス拡散層の剥離が生じるためである。   On the other hand, in the fuel cells of the fifth to seventh comparative examples, the gas diffusion layer was peeled off mainly in the region where the holes of the gas diffusion layer were not formed on the separator flow path. This is because water generated by the cathode catalyst at room temperature startup moves to the separator side through the holes in the gas diffusion layer, but if the holes in the gas diffusion layer are in the ribs of the separator, discharge of the generated water is hindered and gas diffusion occurs. This is because peeling of the layer occurs.

上記説明から、当業者にとっては、本発明の多くの改良や他の実施形態が明らかである。従って、上記説明は、例示としてのみ解釈されるべきであり、本発明を実行する最良の態様を当業者に教示する目的で提供されたものである。本発明の精神を逸脱することなく、その構造および/又は機能の詳細を実質的に変更できる。   From the foregoing description, many modifications and other embodiments of the present invention are obvious to one skilled in the art. Accordingly, the foregoing description should be construed as illustrative only and is provided for the purpose of teaching those skilled in the art the best mode of carrying out the invention. Details of the structure and / or function may be substantially changed without departing from the spirit of the invention.

本発明の燃料電池用ガス拡散層および燃料電池セルは、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るガス拡散層を燃料電池に用いた場合の発電性能を更に向上することができる燃料電池用ガス拡散層および燃料電池セルとして有用である。   The gas diffusion layer for fuel cell and the fuel cell of the present invention further improve the power generation performance when the gas diffusion layer composed of a porous member mainly composed of conductive particles and polymer resin is used for the fuel cell. It is useful as a gas diffusion layer for a fuel cell and a fuel cell that can be improved.

10 第1層
12 孔
14,15 第2層
16,17 孔
18 カソード触媒層
20 高分子電解質膜
22 アノード触媒層
24,26 層
30 ガス流路
51 高分子電解質膜
52,53 触媒層
54,100,200,250,300 燃料電池用ガス拡散層
55 膜電極ガス拡散層接合体
56 セパレータ
60 燃料電池セル
61 集電板
62 絶縁板
63 端板
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 1st layer 12 hole 14,15 2nd layer 16,17 hole 18 cathode catalyst layer 20 polymer electrolyte membrane 22 anode catalyst layer 24,26 layer 30 gas flow path 51 polymer electrolyte membrane 52,53 catalyst layer 54,100 , 200, 250, 300 Gas diffusion layer for fuel cell 55 Membrane electrode gas diffusion layer assembly 56 Separator 60 Fuel cell 61 Current collecting plate 62 Insulating plate 63 End plate

Claims (9)

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、前記多孔質部材の主面から延びる孔が複数形成されてなる燃料電池用ガス拡散層において、
前記燃料電池用ガス拡散層の主面は、複数の領域を有し、
前記複数の領域の各々の領域において、前記孔は等ピッチ間隔で形成されてなること、を特徴とする燃料電池用ガス拡散層。
In the gas diffusion layer for a fuel cell, which is composed of a porous member mainly composed of conductive particles and a polymer resin, and a plurality of holes extending from the main surface of the porous member are formed,
The main surface of the fuel cell gas diffusion layer has a plurality of regions,
The gas diffusion layer for a fuel cell, wherein the holes are formed at equal pitch intervals in each of the plurality of regions.
前記多孔質部材は、第1層と、前記第1層と接して前記第1層よりも撥水性の高い第2層とで構成され、
前記孔は、前記第1層を貫通して形成される、
請求項1記載の燃料電池用ガス拡散層。
The porous member is composed of a first layer and a second layer in contact with the first layer and having higher water repellency than the first layer,
The hole is formed through the first layer;
The gas diffusion layer for fuel cells according to claim 1.
前記孔は、前記第2層を貫通しないように形成されてなる、請求項2記載の燃料電池用ガス拡散層。 The gas diffusion layer for a fuel cell according to claim 2, wherein the hole is formed so as not to penetrate the second layer. 導電性粒子、高分子樹脂、及び、界面活性剤を分散溶媒と混練して混練物を生成し、
前記混練物を圧延および成形してシート状の混練物とした後、
前記シート状の混練物を、第1の熱処理温度で熱処理して前記シート状の混練物から前記界面活性剤と前記分散溶媒とを除去することで第1層を形成し、次いで、
前記第1層に、前記第1層を貫通する孔を複数形成する工程を、含み、
前記複数の孔を形成する際、前記第1層の主面に複数の領域を設け、前記複数の領域のそれぞれの領域内において、等ピッチ間隔で前記孔を形成すること、
を特徴とする燃料電池用ガス拡散層の製造方法。
Kneaded conductive particles, polymer resin, and surfactant with a dispersion solvent to produce a kneaded product,
After rolling and forming the kneaded material into a sheet-like kneaded material,
The sheet-like kneaded material is heat-treated at a first heat treatment temperature to form the first layer by removing the surfactant and the dispersion solvent from the sheet-like kneaded material,
Forming a plurality of holes penetrating the first layer in the first layer,
When forming the plurality of holes, a plurality of regions are provided on the main surface of the first layer, and the holes are formed at equal pitch intervals in each of the regions.
A method for producing a gas diffusion layer for a fuel cell.
導電性粒子、高分子樹脂、及び、界面活性剤と分散溶媒とを混ぜて分散液を生成し、
前記複数の孔を形成する前の前記第1層上に前記分散液を塗工および乾燥して前記第1層よりも薄い分散液層を形成した後、
前記分散液層が形成された前記第1層を、第1熱処理温度よりも低い第2熱処理温度で熱処理して前記分散液層から前記界面活性剤と前記分散溶媒とを除去して、前記第1層の上に前記第1層よりも撥水性の高い第2層を形成する工程を含み、
前記第1層に前記複数の孔を形成する際、前記複数の孔は前記第2層をも貫通するように形成されてなる、請求項4記載の燃料電池用ガス拡散層の製造方法。
Conductive particles, polymer resin, and a surfactant and a dispersion solvent are mixed to produce a dispersion,
After forming the dispersion layer thinner than the first layer by applying and drying the dispersion on the first layer before forming the plurality of holes,
The first layer on which the dispersion layer is formed is heat-treated at a second heat treatment temperature lower than the first heat treatment temperature to remove the surfactant and the dispersion solvent from the dispersion layer, and Forming a second layer having higher water repellency than the first layer on one layer;
5. The method of manufacturing a fuel cell gas diffusion layer according to claim 4, wherein when the plurality of holes are formed in the first layer, the plurality of holes are formed so as to also penetrate the second layer.
導電性粒子、高分子樹脂、及び、界面活性剤と分散溶媒とを混ぜて分散液を生成し、
前記複数の孔を形成する前の前記第1層上に前記分散液を塗工および乾燥して前記第1層よりも薄い分散液層を形成した後、
前記分散液層が形成された前記第1層を、第1熱処理温度よりも低い第2熱処理温度で熱処理して前記分散液層から前記界面活性剤と前記分散溶媒とを除去して、前記第1層の上に前記第1層よりも撥水性の高い第2層を形成する工程を含み、
前記第1層に前記複数の孔を形成する際、前記複数の孔は前記第2層をも貫通しないように形成されてなる、請求項4記載の燃料電池用ガス拡散層の製造方法。
Conductive particles, polymer resin, and a surfactant and a dispersion solvent are mixed to produce a dispersion,
After forming the dispersion layer thinner than the first layer by applying and drying the dispersion on the first layer before forming the plurality of holes,
The first layer on which the dispersion layer is formed is heat-treated at a second heat treatment temperature lower than the first heat treatment temperature to remove the surfactant and the dispersion solvent from the dispersion layer, and Forming a second layer having higher water repellency than the first layer on one layer;
5. The method for producing a fuel cell gas diffusion layer according to claim 4, wherein, when the plurality of holes are formed in the first layer, the plurality of holes are formed so as not to penetrate the second layer.
電解質膜と、
前記電解質膜の主面に形成される電極層と、
前記電極層に接して配置され、かつ、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ると共に、その主面から延びる複数の孔が形成されるガス拡散層と、
前記ガス拡散層の外側に配置される一対のセパレータと、を備え、
前記複数の孔は、前記セパレータの流路に対応する位置に形成されてなること、
を特徴とする燃料電池セル。
An electrolyte membrane;
An electrode layer formed on the main surface of the electrolyte membrane;
A gas diffusion layer that is disposed in contact with the electrode layer and is composed of a porous member mainly composed of conductive particles and a polymer resin, and in which a plurality of holes extending from the main surface are formed;
A pair of separators disposed outside the gas diffusion layer,
The plurality of holes are formed at positions corresponding to the flow paths of the separator;
A fuel cell characterized by.
前記ガス拡散層は、
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る第1層と、
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、前記第1層と接して形成されると共に前記第1層よりも撥水性の高い第2層とを有し、
前記複数の孔は、前記第1層を貫通するように形成されている、請求項7に記載の燃料電池セル。
The gas diffusion layer is
A first layer composed of a porous member mainly composed of conductive particles and a polymer resin;
It is composed of a porous member mainly composed of conductive particles and a polymer resin, and has a second layer formed in contact with the first layer and having higher water repellency than the first layer. ,
The fuel cell according to claim 7, wherein the plurality of holes are formed so as to penetrate the first layer.
前記複数の孔は、前記第2層を貫通しないように形成されてなる、請求項8に記載の燃料電池セル。 The fuel cell according to claim 8, wherein the plurality of holes are formed so as not to penetrate the second layer.
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