JP2016072000A - Gas diffusion layer for fuel cell, fuel cell and method of manufacturing gas diffusion layer for fuel cell - Google Patents

Gas diffusion layer for fuel cell, fuel cell and method of manufacturing gas diffusion layer for fuel cell Download PDF

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勉 川島
Tsutomu Kawashima
川島  勉
庄司 昌史
Masashi Shoji
昌史 庄司
真一郎 井村
Shinichiro Imura
真一郎 井村
敬一 近藤
Keiichi Kondo
敬一 近藤
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a technique for enhancing gas diffusivity in a gas diffusion layer for fuel cell.SOLUTION: A gas diffusion layer for fuel gas includes a porous layer containing a plurality of conductive fibers 28, 48 having a length of 30 μm or more, and thermosetting resins 30, 50 having a melt viscosity of 1000 Pa s or less and binding the conductive fibers each other, and groove-like fluid passages 24, 44 provided in one principal surface of the porous layer.SELECTED DRAWING: Figure 3

Description

本発明は、燃料電池用ガス拡散層と、燃料電池用ガス拡散層を有する燃料電池と、燃料電池用ガス拡散層の製造方法とに関する。   The present invention relates to a fuel cell gas diffusion layer, a fuel cell having a fuel cell gas diffusion layer, and a method for producing a fuel cell gas diffusion layer.

燃料電池は、水素と酸素とから電気エネルギーを発生させる装置であり、高い発電効率を得ることができる。燃料電池の主な特徴としては、従来の発電方式のように熱エネルギーや運動エネルギーの過程を経ることがない直接発電であるので、小規模でも高い発電効率が期待できること、窒素化合物等の排出が少なく、騒音や振動も小さいので環境性が良いことなどが挙げられる。このように、燃料電池は燃料のもつ化学エネルギーを有効に利用でき、環境にやさしい特性を備えるため、21世紀を担うエネルギー供給システムとして期待され、宇宙用から自動車用、携帯機器用まで、また大規模発電から小規模発電まで、種々の用途に使用できる将来有望な新しい発電システムとして注目され、実用化に向けて技術開発が本格化している。   A fuel cell is a device that generates electrical energy from hydrogen and oxygen, and can achieve high power generation efficiency. The main features of the fuel cell are direct power generation that does not go through the process of thermal energy or kinetic energy as in the conventional power generation method, so high power generation efficiency can be expected even on a small scale, and emissions of nitrogen compounds, etc. There are few, and noise and vibration are also small, and environmental properties are good. In this way, fuel cells can be used effectively for the chemical energy of fuel and have environmentally friendly characteristics, so they are expected as energy supply systems for the 21st century, and are widely used in space, automobiles and portable devices. It is attracting attention as a promising new power generation system that can be used for various applications from scale power generation to small-scale power generation, and technological development is in full swing toward practical use.

特許文献1には、高分子電解質膜の両面に触媒層、ガス拡散層、及びセパレータが順に積層された燃料電池が開示されている。当該燃料電池のガス拡散層は、導電性カーボンシートで構成され、セパレータと当接する表面に流体流路を有する。   Patent Document 1 discloses a fuel cell in which a catalyst layer, a gas diffusion layer, and a separator are sequentially laminated on both surfaces of a polymer electrolyte membrane. The gas diffusion layer of the fuel cell is made of a conductive carbon sheet, and has a fluid flow path on the surface in contact with the separator.

国際公開第11/045889号パンフレットInternational Publication No. 11/045889 Pamphlet

本発明者らは、上述した燃料電池について鋭意研究を重ねた結果、従来の燃料電池のガス拡散層には、ガス拡散性の向上を図る余地があることを認識するに至った。   As a result of intensive studies on the above-described fuel cell, the present inventors have come to recognize that the gas diffusion layer of a conventional fuel cell has room for improving gas diffusibility.

本発明はこうした状況に鑑みてなされたものであり、その目的は、燃料電池用ガス拡散層におけるガス拡散性の向上を図る技術を提供することにある。   This invention is made | formed in view of such a condition, The objective is to provide the technique which aims at the improvement of the gas diffusibility in the gas diffusion layer for fuel cells.

本発明のある態様は、燃料電池用ガス拡散層である。当該燃料電池用ガス拡散層は、長さが30μm以上の複数の導電性繊維、及び溶融粘度が1000Pa・s以下であり、当該導電性繊維同士を結着させる熱可塑性樹脂を含有する多孔質層と、多孔質層の一方の主表面に設けられる溝状の流体流路と、を備える。   One embodiment of the present invention is a gas diffusion layer for a fuel cell. The fuel cell gas diffusion layer includes a plurality of conductive fibers having a length of 30 μm or more, and a porous layer having a melt viscosity of 1000 Pa · s or less and containing a thermoplastic resin that binds the conductive fibers to each other. And a groove-like fluid flow path provided on one main surface of the porous layer.

本発明の他の態様は、燃料電池用ガス拡散層である。当該燃料電池用ガス拡散層は、一方の主表面に溝状の流体流路を有する第1多孔質層と、第1多孔質層の他方の主表面側に配置される第2多孔質層と、を備える。第1多孔質層は、長さ30μm以上の導電性繊維を含有する。第2多孔質層は、その断面における単位面積当たりの導電性繊維の占有面積率が第1多孔質層の断面における当該占有面積率よりも小さい。   Another aspect of the present invention is a gas diffusion layer for a fuel cell. The gas diffusion layer for a fuel cell includes a first porous layer having a groove-like fluid channel on one main surface, and a second porous layer disposed on the other main surface side of the first porous layer, . The first porous layer contains conductive fibers having a length of 30 μm or more. In the second porous layer, the occupied area ratio of the conductive fibers per unit area in the cross section is smaller than the occupied area ratio in the cross section of the first porous layer.

本発明の他の態様は、燃料電池である。当該燃料電池は、電解質膜、電解質膜の一方の面側に配置されるアノード触媒層、及び電解質膜の他方の面側に配置されるカソード触媒層で構成される膜電極接合体と、膜電極接合体のアノード触媒層側に配置されるアノードガス拡散層と、膜電極接合体のカソード触媒層側に配置されるカソードガス拡散層と、を備える。アノードガス拡散層及びカソードガス拡散層の少なくとも一方は、上述した態様の燃料電池用ガス拡散層で構成される。   Another embodiment of the present invention is a fuel cell. The fuel cell includes a membrane electrode assembly including an electrolyte membrane, an anode catalyst layer disposed on one surface side of the electrolyte membrane, and a cathode catalyst layer disposed on the other surface side of the electrolyte membrane, and a membrane electrode An anode gas diffusion layer disposed on the anode catalyst layer side of the assembly, and a cathode gas diffusion layer disposed on the cathode catalyst layer side of the membrane electrode assembly. At least one of the anode gas diffusion layer and the cathode gas diffusion layer is composed of the fuel cell gas diffusion layer of the above-described embodiment.

本発明の他の態様は、燃料電池用ガス拡散層の製造方法である。当該燃料電池用ガス拡散層の製造方法は、長さが30μm以上の複数の導電性繊維、及び溶融粘度が1000Pa・s以下であり、当該導電性繊維同士を結着させる熱可塑性樹脂を含有する多孔質シートを用意する工程と、多孔質シートを加熱及び加圧して、多孔質シートの一方の主表面に溝状の流体流路を形成する工程と、を含む。   Another aspect of the present invention is a method for producing a fuel cell gas diffusion layer. The manufacturing method of the fuel cell gas diffusion layer includes a plurality of conductive fibers having a length of 30 μm or more, and a thermoplastic resin having a melt viscosity of 1000 Pa · s or less and binding the conductive fibers to each other. A step of preparing a porous sheet, and a step of heating and pressurizing the porous sheet to form a groove-like fluid flow path on one main surface of the porous sheet.

本発明によれば、燃料電池用ガス拡散層におけるガス拡散性の向上を図ることができる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the improvement of the gas diffusibility in the gas diffusion layer for fuel cells can be aimed at.

実施の形態に係る燃料電池の構造を模式的に示す斜視図である。1 is a perspective view schematically showing the structure of a fuel cell according to an embodiment. 図1のA−A線に沿った概略断面図である。It is a schematic sectional drawing along the AA line of FIG. 燃料電池用ガス拡散層の構造を模式的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows typically the structure of the gas diffusion layer for fuel cells. 図4(A)〜図4(D)は、実施の形態に係る燃料電池用ガス拡散層の製造方法を模式的に示す工程断面図である。4A to 4D are process cross-sectional views schematically showing a method for manufacturing a fuel cell gas diffusion layer according to an embodiment.

以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。なお、すべての図面において、同様な構成要素には同様の符号を付し、適宜説明を省略する。また、実施の形態は、発明を限定するものではなく例示であって、実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In all the drawings, the same reference numerals are given to the same components, and the description will be omitted as appropriate. The embodiments do not limit the invention but are exemplifications, and all features and combinations thereof described in the embodiments are not necessarily essential to the invention.

図1は、実施の形態に係る燃料電池の構造を模式的に示す斜視図である。図2は、図1のA−A線に沿った概略断面図である。本実施の形態の燃料電池1は、略平板状の膜電極接合体10と、燃料電池用ガス拡散層としてのアノードガス拡散層20及びカソードガス拡散層40とを備える。以下、アノードガス拡散層20とカソードガス拡散層40とを区別しない場合には、まとめて燃料電池用ガス拡散層と称する。アノードガス拡散層20とカソードガス拡散層40とは、膜電極接合体10を挟んで互いの主表面が対向するように設けられる。また、アノードガス拡散層20及びカソードガス拡散層40それぞれの膜電極接合体10とは反対の主表面側には、セパレータ2,4が設けられる。本実施の形態では、一組の膜電極接合体10、アノードガス拡散層20及びカソードガス拡散層40を示すが、セパレータ2,4を介して複数組が積層され、燃料電池スタックが構成されてもよい。   FIG. 1 is a perspective view schematically showing the structure of a fuel cell according to an embodiment. FIG. 2 is a schematic cross-sectional view along the line AA in FIG. The fuel cell 1 of the present embodiment includes a substantially flat membrane electrode assembly 10 and an anode gas diffusion layer 20 and a cathode gas diffusion layer 40 as gas diffusion layers for a fuel cell. Hereinafter, when the anode gas diffusion layer 20 and the cathode gas diffusion layer 40 are not distinguished, they are collectively referred to as a fuel cell gas diffusion layer. The anode gas diffusion layer 20 and the cathode gas diffusion layer 40 are provided so that their main surfaces face each other with the membrane electrode assembly 10 interposed therebetween. In addition, separators 2 and 4 are provided on the main surface sides of the anode gas diffusion layer 20 and the cathode gas diffusion layer 40 opposite to the membrane electrode assemblies 10. In the present embodiment, a set of membrane electrode assemblies 10, an anode gas diffusion layer 20, and a cathode gas diffusion layer 40 are shown, but a plurality of sets are stacked via separators 2 and 4, thereby forming a fuel cell stack. Also good.

膜電極接合体10は、電解質膜12、電解質膜12の一方の面側に配置されるアノード触媒層14、及び電解質膜12の他方の面側に配置されるカソード触媒層16で構成される。   The membrane electrode assembly 10 includes an electrolyte membrane 12, an anode catalyst layer 14 disposed on one surface side of the electrolyte membrane 12, and a cathode catalyst layer 16 disposed on the other surface side of the electrolyte membrane 12.

電解質膜12は、湿潤状態において良好なイオン伝導性を示し、アノード触媒層14とカソード触媒層16との間でプロトンを移動させるイオン交換膜として機能する。電解質膜12は、例えば含フッ素重合体や非フッ素重合体等の固体高分子材料によって形成される。電解質膜12の材料としては、スルホン酸型パーフルオロカーボン重合体、ポリサルホン樹脂、ホスホン酸基又はカルボン酸基を有するパーフルオロカーボン重合体等を用いることができる。スルホン酸型パーフルオロカーボン重合体の例としては、ナフィオン(デュポン社製:登録商標)112等が挙げられる。非フッ素重合体の例としては、スルホン化された、芳香族ポリエーテルエーテルケトンやポリスルホン等が挙げられる。電解質膜12の厚さは、例えば10μm以上200μm以下である。   The electrolyte membrane 12 exhibits good ion conductivity in a wet state, and functions as an ion exchange membrane that moves protons between the anode catalyst layer 14 and the cathode catalyst layer 16. The electrolyte membrane 12 is formed of a solid polymer material such as a fluorine-containing polymer or a non-fluorine polymer. As a material of the electrolyte membrane 12, a sulfonic acid type perfluorocarbon polymer, a polysulfone resin, a perfluorocarbon polymer having a phosphonic acid group or a carboxylic acid group, or the like can be used. Examples of the sulfonic acid type perfluorocarbon polymer include Nafion (manufactured by DuPont: registered trademark) 112. Examples of the non-fluorine polymer include sulfonated aromatic polyetheretherketone and polysulfone. The thickness of the electrolyte membrane 12 is, for example, not less than 10 μm and not more than 200 μm.

アノード触媒層14及びカソード触媒層16は、それぞれイオン交換樹脂及び触媒粒子、場合によって触媒粒子を担持する炭素粒子を有する。アノード触媒層14及びカソード触媒層16が有するイオン交換樹脂は、触媒粒子と電解質膜12を接続し、両者間においてプロトンを伝達する役割を果たす。このイオン交換樹脂は、電解質膜12と同様の高分子材料から形成することができる。触媒粒子としては、Sc、Y、Ti、Zr、V、Nb、Fe、Co、Ni、Ru、Rh、Pd、Pt、Os、Ir、ランタノイド系列元素やアクチノイド系列の元素の中から選ばれる合金や単体といった触媒金属が挙げられる。また、炭素粒子としては、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、カーボンナノチューブ等を用いることができる。アノード触媒層14及びカソード触媒層16の厚さは、それぞれ、例えば10μm以上40μm以下である。   The anode catalyst layer 14 and the cathode catalyst layer 16 have ion exchange resin and catalyst particles, and optionally carbon particles supporting the catalyst particles. The ion exchange resin included in the anode catalyst layer 14 and the cathode catalyst layer 16 connects the catalyst particles and the electrolyte membrane 12 and plays a role of transmitting protons therebetween. This ion exchange resin can be formed from the same polymer material as the electrolyte membrane 12. Catalyst particles include Sc, Y, Ti, Zr, V, Nb, Fe, Co, Ni, Ru, Rh, Pd, Pt, Os, Ir, alloys selected from lanthanoid elements and actinoid elements, A catalytic metal such as a simple substance can be mentioned. As the carbon particles, acetylene black, ketjen black, carbon nanotubes and the like can be used. The thicknesses of the anode catalyst layer 14 and the cathode catalyst layer 16 are, for example, 10 μm or more and 40 μm or less, respectively.

アノードガス拡散層20は、膜電極接合体10のアノード触媒層14側に配置される。アノードガス拡散層20は、第1多孔質層22と、流体流路24と、第2多孔質層26とを有する。アノードガス拡散層20の厚さは、例えば50μm以上500μm以下である。   The anode gas diffusion layer 20 is disposed on the anode catalyst layer 14 side of the membrane electrode assembly 10. The anode gas diffusion layer 20 includes a first porous layer 22, a fluid flow path 24, and a second porous layer 26. The thickness of the anode gas diffusion layer 20 is, for example, not less than 50 μm and not more than 500 μm.

図3は、燃料電池用ガス拡散層の構造を模式的に示す断面図である。第1多孔質層22は、長さが30μm以上の複数の導電性繊維28、及び熱可塑性樹脂30を含有する。導電性繊維28としては、例えば、ポリアクリロニトリル系炭素繊維、レーヨン系炭素繊維、ピッチ系炭素繊維、カーボンナノチューブ等のカーボンファイバーや、金属繊維等を用いることができる。導電性繊維28の長さは30μm以上である。導電性繊維28の長さが30μm未満であると、導電性繊維同士の接触点が増加し、第1多孔質層22の導電性及び引張強度が低下するおそれがある。また、導電性繊維28の長さを30μm以上とすることで、第1多孔質層22に所望のガス拡散性を付与することができる。   FIG. 3 is a cross-sectional view schematically showing the structure of the fuel cell gas diffusion layer. The first porous layer 22 contains a plurality of conductive fibers 28 having a length of 30 μm or more and the thermoplastic resin 30. As the conductive fibers 28, for example, polyacrylonitrile-based carbon fibers, rayon-based carbon fibers, pitch-based carbon fibers, carbon fibers such as carbon nanotubes, metal fibers, or the like can be used. The length of the conductive fiber 28 is 30 μm or more. If the length of the conductive fiber 28 is less than 30 μm, the contact point between the conductive fibers increases, and the conductivity and tensile strength of the first porous layer 22 may be reduced. Moreover, desired gas diffusibility can be imparted to the first porous layer 22 by setting the length of the conductive fibers 28 to 30 μm or more.

導電性繊維28の長さの測定方法は以下の通りである。すなわち、まず第1多孔質層22が切断されて断面が形成される。当該断面が研磨された後、走査型電子顕微鏡(SEM)で断面が撮像される。そして、得られた断面の画像において、導電性繊維28の長さが測定される。また、他の測定方法としては以下の方法を挙げることができる。すなわち、第1多孔質層22の一部が切り出され、当該一部が熱可塑性樹脂を溶解させる溶媒に投入される。これにより、第1多孔質層22中の熱可塑性樹脂が溶解される。そして、ろ過などの公知の操作により、互いに分離された導電性繊維28が溶媒中から回収される。分離された導電性繊維28が無作為に例えば400本抽出され、光学顕微鏡もしくはSEMを用いて各導電性繊維28の長さが測定される。導電性繊維28を分離する方法としては、熱可塑性樹脂を溶解させる溶媒を用いない方法を採用することもできる。この方法では、切り出された第1多孔質層22の一部が、例えば温度500℃で30分間加熱される。これにより、熱可塑性樹脂が焼き飛ばされて、導電性繊維28が分離される。   The method for measuring the length of the conductive fiber 28 is as follows. That is, first, the first porous layer 22 is cut to form a cross section. After the section is polished, the section is imaged with a scanning electron microscope (SEM). Then, the length of the conductive fiber 28 is measured in the obtained cross-sectional image. Moreover, the following method can be mentioned as another measuring method. That is, a part of the first porous layer 22 is cut out, and the part is put into a solvent that dissolves the thermoplastic resin. Thereby, the thermoplastic resin in the first porous layer 22 is dissolved. Then, the conductive fibers 28 separated from each other are recovered from the solvent by a known operation such as filtration. For example, 400 separated conductive fibers 28 are randomly extracted, and the length of each conductive fiber 28 is measured using an optical microscope or SEM. As a method for separating the conductive fibers 28, a method that does not use a solvent that dissolves the thermoplastic resin may be employed. In this method, a part of the cut out first porous layer 22 is heated at, for example, a temperature of 500 ° C. for 30 minutes. Thereby, the thermoplastic resin is burned off, and the conductive fibers 28 are separated.

熱可塑性樹脂30は、導電性繊維同士を結着させる機能を有する。また、熱可塑性樹脂30は、成形加工温度での溶融粘度が1000Pa・s以下である。このような熱可塑性樹脂30としては、例えばPPS(ポリフェニレンスルフィド)等を挙げることができる。前記「成形加工温度での溶融粘度」は、キャピラリーレオメーターで測定されたときの樹脂の粘度である。キャピラリーレオメーターにより、溶融した熱可塑性樹脂がキャピラリーを通して流出する際の、せん断速度、せん断応力が検出され、熱可塑性樹脂の溶融粘度が測定される。PPSの溶融粘度は、成形加工温度310℃で、約500Pa・sである。   The thermoplastic resin 30 has a function of binding conductive fibers together. Further, the thermoplastic resin 30 has a melt viscosity of 1000 Pa · s or less at a molding processing temperature. Examples of such a thermoplastic resin 30 include PPS (polyphenylene sulfide). The “melt viscosity at the molding temperature” is the viscosity of the resin as measured with a capillary rheometer. A capillary rheometer detects the shear rate and shear stress when the molten thermoplastic resin flows out through the capillary, and measures the melt viscosity of the thermoplastic resin. The melt viscosity of PPS is about 500 Pa · s at a molding temperature of 310 ° C.

熱可塑性樹脂30によって導電性繊維28を結着させることで、第1多孔質層22中に多数の細孔が含まれた状態を保持することができる。このため、第1多孔質層22のガス拡散性を向上させることができる。また、熱可塑性樹脂30が上述した物性を有することで、流体流路24の形成方法として、多孔質シートのプレス成形法を採用することができる。   By binding the conductive fibers 28 with the thermoplastic resin 30, it is possible to maintain a state in which a large number of pores are included in the first porous layer 22. For this reason, the gas diffusibility of the first porous layer 22 can be improved. In addition, since the thermoplastic resin 30 has the above-described physical properties, a porous sheet press molding method can be employed as a method of forming the fluid flow path 24.

第1多孔質層22は、導電性繊維28と熱可塑性樹脂30とを主成分とする材料で構成される。第1多孔質層22の全質量に対する導電性繊維28及び熱可塑性樹脂30の合計質量は、50質量%以上、好ましくは80質量%以上である。当該合計質量を50質量%以上とすることで、第1多孔質層22に所望のガス拡散性をより確実に付与することができる。第1多孔質層22の厚さは、例えば30μm以上480μm以下である。   The first porous layer 22 is made of a material mainly composed of conductive fibers 28 and a thermoplastic resin 30. The total mass of the conductive fibers 28 and the thermoplastic resin 30 with respect to the total mass of the first porous layer 22 is 50 mass% or more, preferably 80 mass% or more. By setting the total mass to 50% by mass or more, desired gas diffusibility can be more reliably imparted to the first porous layer 22. The thickness of the first porous layer 22 is, for example, not less than 30 μm and not more than 480 μm.

流体流路24は、溝状の形状を有し、第1多孔質層22の一方の主表面に設けられる。流体流路24は、第1多孔質層22の主表面に設けられる凹部によって構成される。流体流路24は、セパレータ2側に配置され、燃料ガスの流路として機能する。水素ガス等の燃料ガスは、燃料供給用のマニホールド(図示せず)から流体流路24に分配され、流体流路24から第1多孔質層22及び第2多孔質層26を経て、膜電極接合体10のアノード触媒層14に供給される。流体流路24の寸法は、例えば、深さが500μm以上1000μm以下、幅が500μm以上1000μm以下、隣り合う流体流路24間の距離が500μm以上1000μm以下である。なお、本実施の形態では、流体流路24は5つ設けられているが、その数は特に限定されず、アノードガス拡散層20や流体流路24の大きさ等に応じて適宜設定することができる。   The fluid flow path 24 has a groove shape and is provided on one main surface of the first porous layer 22. The fluid flow path 24 is configured by a recess provided on the main surface of the first porous layer 22. The fluid flow path 24 is disposed on the separator 2 side and functions as a fuel gas flow path. A fuel gas such as hydrogen gas is distributed from a manifold for fuel supply (not shown) to the fluid flow path 24, and passes through the first porous layer 22 and the second porous layer 26 from the fluid flow path 24 to the membrane electrode. It is supplied to the anode catalyst layer 14 of the joined body 10. The dimensions of the fluid channel 24 are, for example, a depth of 500 μm to 1000 μm, a width of 500 μm to 1000 μm, and a distance between adjacent fluid channels 24 of 500 μm to 1000 μm. In the present embodiment, five fluid flow paths 24 are provided, but the number is not particularly limited, and may be appropriately set according to the size of the anode gas diffusion layer 20 and the fluid flow path 24. Can do.

第2多孔質層26は、第1多孔質層22の他方の主表面側、すなわち、アノード触媒層14側の主表面側に配置される。第2多孔質層26は、複数の導電性粒子、及び当該導電性粒子同士を結着させるバインダー樹脂を含有する。図3では、導電性粒子とバインダー樹脂とを描き分けておらず、両者が混合された状態を図示している。   The second porous layer 26 is disposed on the other main surface side of the first porous layer 22, that is, on the main surface side on the anode catalyst layer 14 side. The second porous layer 26 contains a plurality of conductive particles and a binder resin that binds the conductive particles. In FIG. 3, the conductive particles and the binder resin are not drawn separately, and a state where both are mixed is illustrated.

導電性粒子としては、例えば、カーボンブラック、人造黒鉛、天然黒鉛、膨張黒鉛などのカーボン粒子や、金属粒子等を用いることができる。導電性粒子の平均粒子径は、例えば一次粒子で0.01μm以上50μm以下である。バインダー樹脂としては、PTFE(ポリテトラフルオロエチレン)、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)、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)、ETFE(テトラフルオロエチレン・エチレン共重合体)等のフッ素系樹脂を用いることができる。なお、PTFEの溶融粘度は、成形加工温度380℃で、約1×1010Pa・sである。PFAの溶融粘度は、成形加工温度360℃で、4000〜30000Pa・sである。FEPの溶融粘度は、成形加工温度380℃で、7000〜50000Pa・sである。ETFEの溶融粘度は、成形加工温度300℃で、約2000である。 As the conductive particles, for example, carbon particles such as carbon black, artificial graphite, natural graphite, and expanded graphite, metal particles, and the like can be used. The average particle diameter of the conductive particles is, for example, 0.01 μm or more and 50 μm or less for primary particles. Binder resins include PTFE (polytetrafluoroethylene), PFA (tetrafluoroethylene / perfluoroalkyl vinyl ether copolymer), FEP (tetrafluoroethylene / hexafluoropropylene copolymer), ETFE (tetrafluoroethylene / ethylene copolymer). Fluorine resin such as (polymer) can be used. The melt viscosity of PTFE is about 1 × 10 10 Pa · s at a molding temperature of 380 ° C. The melt viscosity of PFA is 4000 to 30000 Pa · s at a molding temperature of 360 ° C. The melt viscosity of FEP is 7000-50000 Pa · s at a molding temperature of 380 ° C. The melt viscosity of ETFE is about 2000 at a molding temperature of 300 ° C.

第2多孔質層26は、導電性粒子とバインダー樹脂とを主成分とする材料で構成される。第2多孔質層26の全質量に対する導電性粒子とバインダー樹脂の合計質量は、50質量%以上、好ましくは80質量%以上である。当該合計質量を50質量%以上とすることで、燃料電池1に所望の集電性能をより確実に付与することができる。また、第2多孔質層26を設けることで、第1多孔質層22中の導電性繊維28によってアノード触媒層14が損傷するおそれを抑制することができ、燃料電池1の発電効率の低下を抑制することができる。第2多孔質層26の厚さは、例えば20μm以上200μm以下である。   The 2nd porous layer 26 is comprised with the material which has electroconductive particle and binder resin as a main component. The total mass of the conductive particles and the binder resin with respect to the total mass of the second porous layer 26 is 50% by mass or more, preferably 80% by mass or more. By making the total mass 50% by mass or more, the desired current collecting performance can be more reliably imparted to the fuel cell 1. In addition, by providing the second porous layer 26, the possibility that the anode catalyst layer 14 is damaged by the conductive fibers 28 in the first porous layer 22 can be suppressed, and the power generation efficiency of the fuel cell 1 is reduced. Can be suppressed. The thickness of the second porous layer 26 is, for example, not less than 20 μm and not more than 200 μm.

第2多孔質層26における導電性繊維28の含有量は、第1多孔質層22における含有量よりも小さい。例えば、第2多孔質層26は、その断面における単位面積当たりの導電性繊維28の占有面積率が第1多孔質層22の断面における当該占有面積率よりも小さい。第1多孔質層22における導電性繊維28の占有面積率は、例えば50%以上95%以下であり、第2多孔質層26における導電性繊維28の占有面積率は、例えば0%以上50%未満である。第2多孔質層26における導電性繊維28の占有面積率が、第1多孔質層22における導電性繊維28の占有面積率よりも小さいため、第1多孔質層22は、第2多孔質層26よりも透気度が高い。このように、透気度の高い第1多孔質層22と透気度の低い第2多孔質層26とを組み合わせることで、アノードガス拡散層20のガス拡散性を向上させるとともに、燃料電池1の集電性能を向上させることができる。   The content of the conductive fiber 28 in the second porous layer 26 is smaller than the content in the first porous layer 22. For example, in the second porous layer 26, the occupied area ratio of the conductive fibers 28 per unit area in the cross section is smaller than the occupied area ratio in the cross section of the first porous layer 22. The occupied area ratio of the conductive fibers 28 in the first porous layer 22 is, for example, 50% or more and 95% or less, and the occupied area ratio of the conductive fibers 28 in the second porous layer 26 is, for example, 0% or more and 50%. Is less than. Since the occupied area ratio of the conductive fibers 28 in the second porous layer 26 is smaller than the occupied area ratio of the conductive fibers 28 in the first porous layer 22, the first porous layer 22 is the second porous layer. Air permeability is higher than 26. Thus, by combining the first porous layer 22 having a high air permeability and the second porous layer 26 having a low air permeability, the gas diffusibility of the anode gas diffusion layer 20 is improved, and the fuel cell 1 is provided. The current collecting performance can be improved.

導電性繊維28の占有面積率は、以下のようにして求めることができる。すなわち、まず走査型電子顕微鏡(SEM)を用いて第1多孔質層22の断面が撮影される。そして、得られたSEM画像において、断面上の所定の測定領域内における導電性繊維28の面積が測定される。導電性繊維28の面積は、画像処理によって繊維を検出し、断面上での繊維の面積を算出することで測定される。そして、測定領域の面積に対する導電性繊維28の面積の割合が算出されて、導電性繊維28の単位面積当たりの占有面積率が得られる。SEM画像の倍率は例えば100倍であり、この倍率で撮影されたSEM画像における測定領域の大きさは、1000μm×1000μmである。   The occupation area ratio of the conductive fibers 28 can be obtained as follows. That is, first, a cross section of the first porous layer 22 is photographed using a scanning electron microscope (SEM). Then, in the obtained SEM image, the area of the conductive fiber 28 in a predetermined measurement region on the cross section is measured. The area of the conductive fiber 28 is measured by detecting the fiber by image processing and calculating the area of the fiber on the cross section. Then, the ratio of the area of the conductive fiber 28 to the area of the measurement region is calculated, and the occupation area ratio per unit area of the conductive fiber 28 is obtained. The magnification of the SEM image is, for example, 100 times, and the size of the measurement region in the SEM image photographed at this magnification is 1000 μm × 1000 μm.

さらに、第1多孔質層22は、第2多孔質層26由来の導電性粒子であって、第2多孔質層26とは不連続の導電性粒子を含有しない。このため、第1多孔質層22が有する細孔が第2多孔質層26由来の導電性粒子によって塞がれておらず、第1多孔質層22に高いガス拡散性を付与することができる。また、第1多孔質層22と第2多孔質層26の界面における接触抵抗を低減でき、アノードガス拡散層20の高い導電性を確保することができる。   Further, the first porous layer 22 is conductive particles derived from the second porous layer 26 and does not contain conductive particles discontinuous with the second porous layer 26. For this reason, the pores of the first porous layer 22 are not blocked by the conductive particles derived from the second porous layer 26, and high gas diffusibility can be imparted to the first porous layer 22. . Further, the contact resistance at the interface between the first porous layer 22 and the second porous layer 26 can be reduced, and high conductivity of the anode gas diffusion layer 20 can be ensured.

図1,2に示すように、カソードガス拡散層40は、膜電極接合体10のカソード触媒層16側に配置される。カソードガス拡散層40は、第1多孔質層42と、流体流路44と、第2多孔質層46とを有する。カソードガス拡散層40の厚さは、例えば50μm以上500μm以下である。   As shown in FIGS. 1 and 2, the cathode gas diffusion layer 40 is disposed on the cathode catalyst layer 16 side of the membrane electrode assembly 10. The cathode gas diffusion layer 40 includes a first porous layer 42, a fluid flow path 44, and a second porous layer 46. The thickness of the cathode gas diffusion layer 40 is, for example, not less than 50 μm and not more than 500 μm.

図3に示すように、第1多孔質層42は、長さが30μm以上の複数の導電性繊維48、及び熱可塑性樹脂50を含有する。導電性繊維48及び熱可塑性樹脂50としては、アノードガス拡散層20に含まれる導電性繊維28及び熱可塑性樹脂30と同じものを挙げることができる。また、第1多孔質層42の組成及び寸法は、第1多孔質層22と同様である。   As shown in FIG. 3, the first porous layer 42 contains a plurality of conductive fibers 48 having a length of 30 μm or more and a thermoplastic resin 50. Examples of the conductive fiber 48 and the thermoplastic resin 50 include the same ones as the conductive fiber 28 and the thermoplastic resin 30 included in the anode gas diffusion layer 20. The composition and dimensions of the first porous layer 42 are the same as those of the first porous layer 22.

流体流路44は、溝状の形状を有し、第1多孔質層42の一方の主表面に設けられる。流体流路44は、第1多孔質層42の主表面に設けられる凹部によって構成される。流体流路44は、酸化剤ガスの流路として機能する。空気等の酸化剤ガスは、酸化剤供給用のマニホールド(図示せず)から流体流路44に分配され、流体流路44から第1多孔質層42及び第2多孔質層46を経て、膜電極接合体10のカソード触媒層16に供給される。また、流体流路44は、カソード触媒層16で生成される水の排水路としても機能する。流体流路44の寸法は、流体流路24と同様である。なお、本実施の形態では、流体流路44は5つ設けられているが、その数は特に限定されず、カソードガス拡散層40や流体流路44の大きさ等に応じて適宜設定することができる。   The fluid flow path 44 has a groove shape and is provided on one main surface of the first porous layer 42. The fluid flow path 44 is configured by a recess provided on the main surface of the first porous layer 42. The fluid channel 44 functions as a channel for oxidizing gas. Oxidant gas such as air is distributed from the manifold (not shown) for supplying oxidant to the fluid flow path 44, passes through the first porous layer 42 and the second porous layer 46 from the fluid flow path 44, and the membrane It is supplied to the cathode catalyst layer 16 of the electrode assembly 10. The fluid flow path 44 also functions as a drainage path for water generated in the cathode catalyst layer 16. The dimensions of the fluid channel 44 are the same as those of the fluid channel 24. In the present embodiment, five fluid flow paths 44 are provided, but the number is not particularly limited, and may be set as appropriate according to the size of the cathode gas diffusion layer 40, the fluid flow path 44, and the like. Can do.

第2多孔質層46は、第1多孔質層42の他方の主表面側、すなわち、カソード触媒層16側の主表面側に配置される。第2多孔質層46は、複数の導電性粒子、及び当該導電性粒子同士を結着させるバインダー樹脂を含有する。導電性粒子及びバインダー樹脂としては、第2多孔質層26に用いられるものと同じものを用いることができる。また、第2多孔質層46の組成及び寸法は、第2多孔質層26と同様である。   The second porous layer 46 is disposed on the other main surface side of the first porous layer 42, that is, on the main surface side on the cathode catalyst layer 16 side. The second porous layer 46 contains a plurality of conductive particles and a binder resin that binds the conductive particles. As the conductive particles and the binder resin, the same materials as those used for the second porous layer 26 can be used. The composition and dimensions of the second porous layer 46 are the same as those of the second porous layer 26.

カソードガス拡散層40が第2多孔質層46を有することで、カソードガス拡散層40に所望の集電性能をより確実に付与することができ、また、導電性繊維48によってカソード触媒層16が損傷するおそれを抑制することができる。また、第2多孔質層46によって、電気化学反応によりカソード触媒層16で生成される水や、電解質膜12からカソード触媒層16に移動した水を、毛細管現象により効率よく第1多孔質層42や流体流路44に汲み上げることができる。汲み上げられた水は、第1多孔質層42や流体流路44を流れる酸化剤ガスによって排出される。これにより、フラッディング現象の発生をより確実に抑制することができる。   Since the cathode gas diffusion layer 40 has the second porous layer 46, the cathode gas diffusion layer 40 can be provided with a desired current collecting performance more reliably, and the cathode catalyst layer 16 is formed by the conductive fibers 48. The risk of damage can be suppressed. Further, the first porous layer 42 efficiently causes the water generated in the cathode catalyst layer 16 by the electrochemical reaction or the water moved from the electrolyte membrane 12 to the cathode catalyst layer 16 by the second porous layer 46 by capillary action. Or can be pumped into the fluid flow path 44. The pumped water is discharged by the oxidant gas flowing through the first porous layer 42 and the fluid flow path 44. Thereby, generation | occurrence | production of the flooding phenomenon can be suppressed more reliably.

アノードガス拡散層20の場合と同様に、第2多孔質層46は、その断面における単位面積当たりの導電性繊維48の占有面積率が第1多孔質層42の断面における当該占有面積率よりも小さい。また、第1多孔質層42は、第2多孔質層46よりも透気度が高い。さらに、第1多孔質層42は、第2多孔質層46由来の導電性粒子であって、第2多孔質層46とは不連続の導電性粒子を含有しない。   As in the case of the anode gas diffusion layer 20, the second porous layer 46 has an occupation area ratio of the conductive fibers 48 per unit area in its cross section that is higher than the occupation area ratio in the cross section of the first porous layer 42. small. The first porous layer 42 has a higher air permeability than the second porous layer 46. Further, the first porous layer 42 is conductive particles derived from the second porous layer 46 and does not contain conductive particles discontinuous with the second porous layer 46.

なお、アノード触媒層14とアノードガス拡散層20とが積層された構造をアノードと称し、カソード触媒層16とカソードガス拡散層40とが積層された構造をカソードと称する場合がある。   A structure in which the anode catalyst layer 14 and the anode gas diffusion layer 20 are stacked may be referred to as an anode, and a structure in which the cathode catalyst layer 16 and the cathode gas diffusion layer 40 are stacked may be referred to as a cathode.

上述した固体高分子形の燃料電池1では、以下の反応が起こる。すなわち、アノードガス拡散層20を介してアノード触媒層14に燃料ガスとしての水素ガスが供給されると、アノード触媒層14において下記式(1)で示す反応が起こり、水素がプロトンと電子に分解される。プロトンは、電解質膜12中をカソード触媒層16側へ移動する。電子は、外部回路(図示せず)に移動し、外部回路からカソード触媒層16に流れ込む。一方、カソードガス拡散層40を介してカソード触媒層16に酸化剤ガスとしての空気が供給されると、カソード触媒層16において下記式(2)で示す反応が起こり、空気中の酸素がプロトン及び電子と反応して水になる。この結果、外部回路においてアノードからカソードに向かって電子が流れることとなり、電力を取り出すことができる。
アノード触媒層14:H→2H+2e (1)
カソード触媒層16:2H+(1/2)O+2e→HO (2)
In the polymer electrolyte fuel cell 1 described above, the following reaction occurs. That is, when hydrogen gas as a fuel gas is supplied to the anode catalyst layer 14 through the anode gas diffusion layer 20, a reaction represented by the following formula (1) occurs in the anode catalyst layer 14, and hydrogen is decomposed into protons and electrons. Is done. Protons move through the electrolyte membrane 12 toward the cathode catalyst layer 16 side. The electrons move to an external circuit (not shown) and flow into the cathode catalyst layer 16 from the external circuit. On the other hand, when air as an oxidant gas is supplied to the cathode catalyst layer 16 through the cathode gas diffusion layer 40, a reaction represented by the following formula (2) occurs in the cathode catalyst layer 16, and oxygen in the air is converted into protons and oxygen. It reacts with electrons to become water. As a result, electrons flow from the anode toward the cathode in the external circuit, and electric power can be taken out.
Anode catalyst layer 14: H 2 → 2H + + 2e (1)
Cathode catalyst layer 16: 2H + + (1/2) O 2 + 2e → H 2 O (2)

(燃料電池用ガス拡散層の製造工程)
続いて、実施の形態に係る燃料電池用ガス拡散層の製造方法について説明する。図4(A)〜図4(D)は、実施の形態に係る燃料電池用ガス拡散層の製造方法を模式的に示す工程断面図である。ここでは、アノードガス拡散層20を例に、燃料電池用ガス拡散層の製造方法を説明する。
(Manufacturing process of gas diffusion layer for fuel cells)
Then, the manufacturing method of the gas diffusion layer for fuel cells which concerns on embodiment is demonstrated. 4A to 4D are process cross-sectional views schematically showing a method for manufacturing a fuel cell gas diffusion layer according to an embodiment. Here, the manufacturing method of the fuel cell gas diffusion layer will be described by taking the anode gas diffusion layer 20 as an example.

まず、図4(A)に示すように、第1多孔質シート21と、第2多孔質シート25とを用意する。第1多孔質シート21は、複数の導電性繊維28(図3参照)及び熱可塑性樹脂30(図3参照)を含有するシートである。第2多孔質シート25は、複数の導電性粒子及びバインダー樹脂を含有し、導電性繊維28の占有面積率が第1多孔質シート21の断面における当該占有面積率よりも小さいシートである。   First, as shown in FIG. 4A, a first porous sheet 21 and a second porous sheet 25 are prepared. The first porous sheet 21 is a sheet containing a plurality of conductive fibers 28 (see FIG. 3) and a thermoplastic resin 30 (see FIG. 3). The second porous sheet 25 contains a plurality of conductive particles and a binder resin, and the occupied area ratio of the conductive fibers 28 is a sheet smaller than the occupied area ratio in the cross section of the first porous sheet 21.

次に、図4(B)に示すように、第1多孔質シート21と第2多孔質シート25とを重ねて、第1金型70と第2金型72との間に配置する。第1多孔質シート21は第1金型70側に、第2多孔質シート25は第2金型72側に配置される。第1金型70には、流体流路24の形状に対応する凸部74が設けられている。凸部74と対向する第2金型72の表面は、平坦である。   Next, as shown in FIG. 4B, the first porous sheet 21 and the second porous sheet 25 are overlapped and disposed between the first mold 70 and the second mold 72. The first porous sheet 21 is disposed on the first mold 70 side, and the second porous sheet 25 is disposed on the second mold 72 side. The first mold 70 is provided with a convex portion 74 corresponding to the shape of the fluid flow path 24. The surface of the second mold 72 facing the convex portion 74 is flat.

次に、図4(C)に示すように、第1金型70と第2金型72とを型閉じし、第1多孔質シート21及び第2多孔質シート25を、所定の温度及び圧力で加熱及び加圧する。これにより、第1多孔質シート21中の熱可塑性樹脂30が塑性変形して、第1多孔質シート21の一方の主表面に、溝状の流体流路24が形成される。熱可塑性樹脂30がPPSの場合、成型時の温度及び圧力は、10MPa、300℃である。また、これと同時に、第1多孔質シート21と第2多孔質シート25とが互いに圧着される。所定時間の経過後、第1金型70と第2金型72とを型開きする。   Next, as shown in FIG. 4C, the first mold 70 and the second mold 72 are closed, and the first porous sheet 21 and the second porous sheet 25 are moved to a predetermined temperature and pressure. Heat and pressurize with Thereby, the thermoplastic resin 30 in the first porous sheet 21 is plastically deformed, and a groove-like fluid flow path 24 is formed on one main surface of the first porous sheet 21. When the thermoplastic resin 30 is PPS, the temperature and pressure at the time of molding are 10 MPa and 300 ° C. At the same time, the first porous sheet 21 and the second porous sheet 25 are pressure-bonded to each other. After a predetermined time has elapsed, the first mold 70 and the second mold 72 are opened.

以上の工程により、図4(D)に示すように、一方の主表面に流体流路24を有する第1多孔質層22と、第1多孔質層22の他方の主表面に積層された第2多孔質層26とを備えるアノードガス拡散層20が得られる。   Through the above steps, as shown in FIG. 4D, the first porous layer 22 having the fluid flow path 24 on one main surface and the first main layer laminated on the other main surface of the first porous layer 22 are stacked. The anode gas diffusion layer 20 including the two porous layers 26 is obtained.

以上説明したように、本実施の形態の燃料電池用ガス拡散層は、導電性繊維と、熱可塑性樹脂とを含有する第1多孔質層と、第1多孔質層の主表面に設けられる流体流路とを備える。また、燃料電池用ガス拡散層は、第1多孔質層よりも導電性繊維の含有量が少ないか、もしくは含まない第2多孔質層を備える。第2多孔質層は、第1多孔質層よりも導電性繊維の含有量が少ないため、第1多孔質層の方がより透気度が高い。   As described above, the fuel cell gas diffusion layer of the present embodiment includes the first porous layer containing the conductive fibers and the thermoplastic resin, and the fluid provided on the main surface of the first porous layer. A flow path. In addition, the fuel cell gas diffusion layer includes a second porous layer that contains less or no conductive fiber than the first porous layer. Since the second porous layer has less conductive fiber content than the first porous layer, the first porous layer has higher air permeability.

これにより、第1多孔質層、特に隣接する2つの流体流路の間の凸部とその下部へ、より確実にガスを拡散させることができる。よって、第2多孔質層を構成する材料のみからなる燃料電池用ガス拡散層に比べて、燃料電池用ガス拡散層の全体により均一にガスを拡散させることができる。このため、拡散過電圧を低減させることができる。また、第1多孔質層のガス拡散性が高いため、所望のガス拡散性を保持しながら、隣接する2つの流体流路の間隔を拡げることができる。これにより、セパレータと燃料電池用ガス拡散層との接触面積を増加させることができ、燃料電池の集電性能を高めることができる。また、第1多孔質層とカソード触媒層との間に配置される第2多孔質層によって、カソード触媒層で生成された水の排水性が高められる。したがって、高電流密度領域におけるセル電圧の高い燃料電池を得ることができる。   Thereby, gas can be diffused more reliably to the first porous layer, particularly to the convex portion between the two adjacent fluid flow paths and the lower portion thereof. Therefore, compared with the fuel cell gas diffusion layer made of only the material constituting the second porous layer, the gas can be uniformly diffused throughout the fuel cell gas diffusion layer. For this reason, the diffusion overvoltage can be reduced. Moreover, since the gas diffusibility of the first porous layer is high, the interval between two adjacent fluid flow paths can be increased while maintaining the desired gas diffusivity. Thereby, the contact area of a separator and the gas diffusion layer for fuel cells can be increased, and the current collection performance of a fuel cell can be improved. Moreover, the drainage property of the water produced | generated by the cathode catalyst layer is improved by the 2nd porous layer arrange | positioned between a 1st porous layer and a cathode catalyst layer. Therefore, a fuel cell having a high cell voltage in a high current density region can be obtained.

また、本実施の形態の燃料電池用ガス拡散層の製造方法では、第1多孔質シートを加熱及び加圧して、流体流路を形成している。このため、より簡単に流体流路を形成することがでる。よって、燃料電池用ガス拡散層、ひいては燃料電池の製造工程を簡略化することができる。さらに、本実施の形態の製造方法では、第2多孔質シートが第1多孔質シートに積層されることで、第2多孔質層が形成される。このため、第1多孔質層は、第2多孔質層由来の導電性粒子であって、第2多孔質層とは不連続の導電性粒子を含有しない。よって、導電性粒子とバインダー樹脂とのスラリーが第1多孔質シートにスプレー塗布されて第2多孔質層が形成される場合に比べて、第1多孔質層をガス拡散性の高い状態に保つことができる。   Further, in the method for manufacturing the fuel cell gas diffusion layer according to the present embodiment, the first porous sheet is heated and pressurized to form a fluid flow path. For this reason, a fluid flow path can be formed more easily. Therefore, it is possible to simplify the manufacturing process of the fuel cell gas diffusion layer and thus the fuel cell. Furthermore, in the manufacturing method of the present embodiment, the second porous sheet is formed by laminating the second porous sheet on the first porous sheet. For this reason, a 1st porous layer is an electroconductive particle derived from a 2nd porous layer, Comprising: A 2nd porous layer does not contain a conductive particle discontinuous. Therefore, the first porous layer is kept in a highly gas diffusive state as compared with the case where the slurry of the conductive particles and the binder resin is spray-coated on the first porous sheet to form the second porous layer. be able to.

本発明は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、当業者の知識に基づいて各種の設計変更等の変形を加えることも可能であり、そのような変形が加えられた実施の形態も本発明の範囲に含まれうるものである。   The present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications such as design changes can be added based on the knowledge of those skilled in the art. Embodiments to which such modifications are added Can also be included in the scope of the present invention.

上述した実施の形態では、アノードガス拡散層20及びカソードガス拡散層40がともに、第1多孔質層22,42と、流体流路24,44と、第2多孔質層26,46とを含む構成を有する。しかしながら、特にこれに限定されず、アノードガス拡散層20及びカソードガス拡散層40のいずれか一方のみが上述した構成を有していてもよい。   In the above-described embodiment, both the anode gas diffusion layer 20 and the cathode gas diffusion layer 40 include the first porous layers 22 and 42, the fluid flow paths 24 and 44, and the second porous layers 26 and 46. It has a configuration. However, it is not particularly limited to this, and only one of the anode gas diffusion layer 20 and the cathode gas diffusion layer 40 may have the above-described configuration.

上述した実施の形態では、流体流路24を形成する工程と、第2多孔質シート25を第1多孔質シート21に積層する工程とが同時に実施されている。このため、両工程を別々に実施する場合に比べて、燃料電池用ガス拡散層の製造工程を簡略化することができる。しかしながら、特にこの製造工程に限定されず、第2多孔質シート25を第1多孔質シート21に積層する工程は、流体流路24を形成する工程の前又は後であってもよい。   In the embodiment described above, the step of forming the fluid flow path 24 and the step of laminating the second porous sheet 25 on the first porous sheet 21 are performed simultaneously. For this reason, compared with the case where both processes are implemented separately, the manufacturing process of the gas diffusion layer for fuel cells can be simplified. However, it is not particularly limited to this manufacturing process, and the step of laminating the second porous sheet 25 on the first porous sheet 21 may be before or after the step of forming the fluid flow path 24.

第2多孔質シート25の積層工程が流体流路24の形成工程の後に実施される場合、まず第1多孔質シート21のみが第1金型70と第2金型72との間に配置され、プレス成形されて流体流路24が形成される。次いで、流体流路24が設けられた第1多孔質シート21と第2多孔質シート25とが重ね合わされて第1金型70と第2金型72との間に配置され、プレス成形されて第2多孔質シート25が第1多孔質シート21に積層される。   When the step of laminating the second porous sheet 25 is performed after the step of forming the fluid flow path 24, only the first porous sheet 21 is first disposed between the first mold 70 and the second mold 72. The fluid flow path 24 is formed by press molding. Next, the first porous sheet 21 and the second porous sheet 25 provided with the fluid flow path 24 are overlapped and placed between the first mold 70 and the second mold 72, and press-molded. The second porous sheet 25 is laminated on the first porous sheet 21.

第2多孔質シート25の積層工程が流体流路24の形成工程の前に実施される場合、まず第1多孔質シート21と第2多孔質シート25とが重ね合わされて、第1金型70と第2金型72との間に配置され、プレス成形される。このとき、第1金型70は、凸部74を有しない平坦状の金型である。これにより、第1多孔質シート21に第2多孔質シート25が積層される。次いで、得られた積層体が、第1金型70と第2金型72との間に配置され、プレス成形される。このとき、第1金型70は、凸部74を有する金型である。これにより、第1多孔質シート21に流体流路24が形成される。   When the step of laminating the second porous sheet 25 is performed before the step of forming the fluid flow path 24, the first porous sheet 21 and the second porous sheet 25 are first overlapped to form the first mold 70. And the second mold 72 are press-molded. At this time, the first mold 70 is a flat mold that does not have the convex portion 74. Thereby, the second porous sheet 25 is laminated on the first porous sheet 21. Next, the obtained laminate is placed between the first mold 70 and the second mold 72 and press-molded. At this time, the first mold 70 is a mold having a convex portion 74. Thereby, the fluid flow path 24 is formed in the first porous sheet 21.

1 燃料電池、 10 膜電極接合体、 12 電解質膜、 14 アノード触媒層、 16 カソード触媒層、 20 アノードガス拡散層、 22,42 第1多孔質層、 24,44 流体流路、 26,46 第2多孔質層、 28,48 導電性繊維、 30,50 熱可塑性樹脂、 40 カソードガス拡散層。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Fuel cell, 10 Membrane electrode assembly, 12 Electrolyte membrane, 14 Anode catalyst layer, 16 Cathode catalyst layer, 20 Anode gas diffusion layer, 22, 42 1st porous layer, 24, 44 Fluid flow path, 26, 46 1st 2 porous layers, 28, 48 conductive fibers, 30, 50 thermoplastic resin, 40 cathode gas diffusion layer.

Claims (8)

長さが30μm以上の複数の導電性繊維、及び溶融粘度が1000Pa・s以下であり、当該導電性繊維同士を結着させる熱可塑性樹脂を含有する多孔質層と、
前記多孔質層の一方の主表面に設けられる溝状の流体流路と、
を備えることを特徴とする燃料電池用ガス拡散層。
A plurality of conductive fibers having a length of 30 μm or more, and a porous layer having a melt viscosity of 1000 Pa · s or less and containing a thermoplastic resin that binds the conductive fibers;
A groove-like fluid flow path provided on one main surface of the porous layer;
A gas diffusion layer for a fuel cell, comprising:
前記多孔質層を第1多孔質層とするとき、
前記第1多孔質層の他方の主表面側に配置される第2多孔質層をさらに備え、
前記第2多孔質層は、複数の導電性粒子、及び当該導電性粒子同士を結着させるバインダー樹脂を含有し、その断面における単位面積当たりの前記導電性繊維の占有面積率が前記第1多孔質層の断面における当該占有面積率よりも小さい請求項1に記載の燃料電池用ガス拡散層。
When the porous layer is a first porous layer,
A second porous layer disposed on the other main surface side of the first porous layer,
The second porous layer contains a plurality of conductive particles and a binder resin that binds the conductive particles, and the occupation area ratio of the conductive fibers per unit area in the cross section is the first porous layer. The gas diffusion layer for a fuel cell according to claim 1, wherein the gas diffusion layer is smaller than the occupied area ratio in the cross section of the mass layer.
一方の主表面に溝状の流体流路を有する第1多孔質層と、
前記第1多孔質層の他方の主表面側に配置される第2多孔質層と、
を備え、
前記第1多孔質層は、長さ30μm以上の導電性繊維を含有し、
前記第2多孔質層は、その断面における単位面積当たりの前記導電性繊維の占有面積率が前記第1多孔質層の断面における当該占有面積率よりも小さいことを特徴とする燃料電池用ガス拡散層。
A first porous layer having a groove-like fluid flow path on one main surface;
A second porous layer disposed on the other main surface side of the first porous layer;
With
The first porous layer contains conductive fibers having a length of 30 μm or more,
The gas diffusion for a fuel cell, wherein the second porous layer has a smaller occupied area ratio of the conductive fibers per unit area in the cross section than the occupied area ratio in the cross section of the first porous layer. layer.
前記第2多孔質層は、複数の導電性粒子、及び当該導電性粒子同士を結着させるバインダー樹脂を含有し、
前記第1多孔質層は、前記第2多孔質層とは不連続の前記導電性粒子を含有しない請求項2又は3に記載の燃料電池用ガス拡散層。
The second porous layer contains a plurality of conductive particles and a binder resin that binds the conductive particles.
4. The fuel cell gas diffusion layer according to claim 2, wherein the first porous layer does not contain the conductive particles discontinuous with the second porous layer. 5.
前記第1多孔質層は、前記第2多孔質層よりも透気度が高い請求項2乃至4のいずれか1項に記載の燃料電池用ガス拡散層。   The gas diffusion layer for a fuel cell according to any one of claims 2 to 4, wherein the first porous layer has a higher air permeability than the second porous layer. 電解質膜、前記電解質膜の一方の面側に配置されるアノード触媒層、及び前記電解質膜の他方の面側に配置されるカソード触媒層で構成される膜電極接合体と、
前記膜電極接合体の前記アノード触媒層側に配置されるアノードガス拡散層と、
前記膜電極接合体の前記カソード触媒層側に配置されるカソードガス拡散層と、を備え、
前記アノードガス拡散層及び前記カソードガス拡散層の少なくとも一方は、請求項1乃至5のいずれか1項に記載の燃料電池用ガス拡散層で構成されることを特徴とする燃料電池。
A membrane electrode assembly comprising an electrolyte membrane, an anode catalyst layer disposed on one surface side of the electrolyte membrane, and a cathode catalyst layer disposed on the other surface side of the electrolyte membrane;
An anode gas diffusion layer disposed on the anode catalyst layer side of the membrane electrode assembly;
A cathode gas diffusion layer disposed on the cathode catalyst layer side of the membrane electrode assembly,
6. The fuel cell according to claim 1, wherein at least one of the anode gas diffusion layer and the cathode gas diffusion layer includes the fuel cell gas diffusion layer according to claim 1.
長さが30μm以上の複数の導電性繊維、及び溶融粘度が1000Pa・s以下であり、当該導電性繊維同士を結着させる熱可塑性樹脂を含有する多孔質シートを用意する工程と、
前記多孔質シートを加熱及び加圧して、多孔質シートの一方の主表面に溝状の流体流路を形成する工程と、
を含むことを特徴とする燃料電池用ガス拡散層の製造方法。
Preparing a porous sheet containing a plurality of conductive fibers having a length of 30 μm or more, and a melt viscosity of 1000 Pa · s or less and containing a thermoplastic resin that binds the conductive fibers;
Heating and pressurizing the porous sheet to form a groove-like fluid flow path on one main surface of the porous sheet; and
A method for producing a gas diffusion layer for a fuel cell, comprising:
前記多孔質シートを第1多孔質シートとするとき、
前記流体流路を形成する工程の前、後又は同時に、第2多孔質シートを、前記第1多孔質シートの他方の主表面に積層する工程をさらに含み、
前記第2多孔質シートは、複数の導電性粒子、及び当該導電性粒子同士を結着させるバインダー樹脂を含有し、その断面における単位面積当たりの前記導電性繊維の占有面積率が前記第1多孔質シートの断面における当該占有面積率よりも小さい請求項7に記載の燃料電池用ガス拡散層の製造方法。
When the porous sheet is a first porous sheet,
Before, after or simultaneously with the step of forming the fluid flow path, further comprising the step of laminating the second porous sheet on the other main surface of the first porous sheet;
The second porous sheet contains a plurality of conductive particles and a binder resin that binds the conductive particles, and the occupied area ratio of the conductive fibers per unit area in the cross section is the first porous sheet. The manufacturing method of the gas diffusion layer for fuel cells of Claim 7 smaller than the said occupied area rate in the cross section of a quality sheet.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JPWO2018212285A1 (en) * 2017-05-18 2020-03-19 Agc株式会社 Fluororesin film and laminate, and method for producing hot-press laminate
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