JP2016136481A - Fuel battery cell - Google Patents

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Shinji Shiromori
慎司 城森
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fuel battery cell in which the gas diffusion performance of a gas diffusion layer in the neighborhood of a rib of a separator can be kept high under discharge, thereby suppressing degradation of the performance.SOLUTION: In a fuel battery cell, at least spherical carbon, polytetrafluoroethylene and dispersant are mixed to prepare fluid dispersion having a viscosity of 2,000 to 3,000 cp. The fluid dispersion is coated on one surface of carbon paper, and after the fluid dispersion is coated, the carbon paper is burned at 330°C to form a water repellant layer on one surface, thereby forming a gas diffusion layer having the water repellant layer at least at the cathode electrode side. The water repellant layer of the gas diffusion layer having the water repellant layer and a cathode electrode are in contact with each other.SELECTED DRAWING: Figure 2

Description

本発明は、セパレータのリブ近傍におけるガス拡散層のガス拡散性を放電時に高く維持し、その結果性能低下を抑制できる燃料電池セルに関する。   The present invention relates to a fuel cell that can maintain high gas diffusibility of a gas diffusion layer in the vicinity of a rib of a separator during discharge, and as a result, suppress performance degradation.

燃料電池のカソード電極側のガス拡散層には、通常、放電反応により生成する水の排出性を向上させる目的で、撥水層が設けられる。特許文献1には、ガス拡散層基材と導電性撥水層とを含む燃料電池用ガス拡散層であって、前記導電性撥水層が、導電性材料と撥水性材料とを含有し、内部に孔径が0.2μm〜2μmである細孔を有し、細孔の内表面が撥水性材料から構成されている多孔質層である燃料電池用ガス拡散層が開示されている。   The gas diffusion layer on the cathode electrode side of the fuel cell is usually provided with a water repellent layer for the purpose of improving the discharge of water produced by the discharge reaction. Patent Document 1 is a gas diffusion layer for a fuel cell including a gas diffusion layer base material and a conductive water repellent layer, wherein the conductive water repellent layer contains a conductive material and a water repellent material, There is disclosed a fuel cell gas diffusion layer which is a porous layer having pores with a pore diameter of 0.2 μm to 2 μm inside and the inner surface of the pores made of a water repellent material.

特開2009−059524号公報JP 2009-059524 A

特許文献1に記載のように、通常、撥水層はガス拡散層の片面側に設けられる。撥水層は、例えば、カーボンペーパー等の基材の片面に、撥水ペーストを塗布することにより形成される。   As described in Patent Document 1, the water repellent layer is usually provided on one side of the gas diffusion layer. The water repellent layer is formed, for example, by applying a water repellent paste to one side of a substrate such as carbon paper.

ところで、特許文献1には、セパレータの厚み方向におけるMEA側表面にサーペンタイン型流路が形成されている旨の記載がある。このように、いわゆる平型の燃料電池セルにおいては、膜・電極接合体を一対のガス拡散層で挟持した挟持体を、さらに溝構造を備える一対のセパレータにより挟持して使用するのが通常である。当該溝構造は、ガス拡散層へガスを供給し、かつ余分なガスや水分を排出する働きを有する。平型の燃料電池セルにおいては、その平面に垂直な方向に所定の圧力を加えるのが通常である。溝構造を備えるセパレータを用いる場合、セパレータにおける溝構造以外の部分(当該部分を以下「リブ」と称する場合がある。)が、溝構造に対応する部分よりもガス拡散層に強く押し付けられるため、リブ近傍におけるガス拡散層が部分的に圧縮される結果、当該部分のガス拡散性が弱くなる。このように、溝構造を備えるセパレータを用いる場合には、リブ近傍におけるガス拡散層のガス拡散性が要求され、特に燃料電池セル平面に垂直な方向のガス拡散性に加え、当該平面に平行な方向のガス拡散性が重要となる。   Incidentally, Patent Document 1 has a description that a serpentine type flow path is formed on the MEA side surface in the thickness direction of the separator. As described above, in so-called flat fuel cells, it is usual to use a sandwiched body in which a membrane / electrode assembly is sandwiched between a pair of gas diffusion layers and further sandwiched by a pair of separators having a groove structure. is there. The groove structure has a function of supplying gas to the gas diffusion layer and discharging excess gas and moisture. In a flat fuel cell, a predetermined pressure is usually applied in a direction perpendicular to the plane. When using a separator having a groove structure, a portion other than the groove structure in the separator (the portion may be referred to as “rib” hereinafter) is pressed more strongly against the gas diffusion layer than a portion corresponding to the groove structure. As a result of the partial compression of the gas diffusion layer in the vicinity of the rib, the gas diffusibility of the portion is weakened. As described above, when a separator having a groove structure is used, the gas diffusibility of the gas diffusion layer in the vicinity of the rib is required. In particular, in addition to the gas diffusivity in the direction perpendicular to the plane of the fuel cell, it is parallel to the plane. Directional gas diffusivity is important.

本発明者の検討の結果、上記特許文献1に開示のガス拡散層を用いた燃料電池セルにおいては、撥水ペーストのガス拡散層への染み込みが大きい場合に、セパレータのリブ近傍までガスが十分供給されず、燃料電池の性能が低下することが明らかとなった。
本発明は、上記実状を鑑みて成し遂げられたものであり、セパレータのリブ近傍におけるガス拡散層のガス拡散性を放電時に高く維持し、その結果性能低下を抑制できる燃料電池セルを提供することを目的とする。
As a result of the study by the present inventors, in the fuel cell using the gas diffusion layer disclosed in Patent Document 1, when the water repellent paste penetrates into the gas diffusion layer, the gas is sufficient to the vicinity of the rib of the separator. It was revealed that the performance of the fuel cell deteriorated without being supplied.
The present invention has been accomplished in view of the above-described circumstances, and provides a fuel cell that maintains the gas diffusibility of the gas diffusion layer in the vicinity of the rib of the separator at the time of discharge, and as a result can suppress performance degradation. Objective.

本発明の燃料電池セルは、電解質膜の一面側にアノード電極を備え、他面側にカソード電極を備える膜・電極接合体と、前記膜・電極接合体を挟持する一対のガス拡散層と、前記膜・電極接合体及び一対のガス拡散層をさらに挟持しかつ前記ガス拡散層に面する側に溝構造を有する一対のセパレータと、を備える燃料電池セルであって、少なくともカソード電極側の前記ガス拡散層が、少なくとも球状カーボン、ポリテトラフルオロエチレン、及び分散媒を混合することにより、粘度が2,000cp以上3,000cp以下となる分散液を調製し、前記分散液をカーボンペーパーの片面に塗布し、前記分散液を塗布した後のカーボンペーパーを330℃で焼成することにより片面に撥水層が形成された、撥水層付きガス拡散層であり、前記撥水層付きガス拡散層における撥水層と前記カソード電極とが接していることを特徴とする。   The fuel cell of the present invention comprises a membrane / electrode assembly comprising an anode electrode on one side of the electrolyte membrane and a cathode electrode on the other side, a pair of gas diffusion layers sandwiching the membrane / electrode assembly, And a pair of separators further sandwiching the membrane-electrode assembly and the pair of gas diffusion layers and having a groove structure on the side facing the gas diffusion layer, at least on the cathode electrode side The gas diffusion layer mixes at least spherical carbon, polytetrafluoroethylene, and a dispersion medium to prepare a dispersion having a viscosity of 2,000 cp to 3,000 cp, and the dispersion is applied to one side of the carbon paper. A gas diffusion layer with a water-repellent layer, wherein a water-repellent layer is formed on one side by firing the carbon paper after coating and applying the dispersion at 330 ° C., Characterized in that said cathode electrode and water-repellent layer in the aqueous layer with gas diffusion layer is in contact.

本発明によれば、特定範囲の粘度の分散液を使用しかつ特定温度条件下での焼成を経た撥水層付きガス拡散層を用いることにより、セパレータのリブ近傍におけるガス拡散層のガス拡散性を放電時に高く維持し、その結果、燃料電池セルの性能低下を抑制できる。   According to the present invention, the gas diffusibility of the gas diffusion layer in the vicinity of the rib of the separator is obtained by using a gas diffusion layer with a water repellent layer that has been baked under a specific temperature using a dispersion having a specific range of viscosity. Can be kept high during discharge, and as a result, performance degradation of the fuel cell can be suppressed.

実施例1〜2、及び比較例1〜3の各燃料電池セルにおける、セパレータ及びガス拡散層の積層部分を拡大して示した断面模式図である。It is the cross-sectional schematic diagram which expanded and showed the laminated | stacked part of the separator and the gas diffusion layer in each fuel cell of Examples 1-2 and Comparative Examples 1-3. 実施例1〜2、及び比較例1〜3の燃料電池セルの面内ガス拡散抵抗と、これら燃料電池セルの製造に用いた撥水層用分散液の粘度との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the in-plane gas diffusion resistance of the fuel battery cell of Examples 1-2 and Comparative Examples 1-3, and the viscosity of the dispersion liquid for water-repellent layers used for manufacture of these fuel battery cells. 実施例1及び比較例3の燃料電池セルのI−V曲線を重ねて示したグラフである。5 is a graph in which IV curves of fuel cells of Example 1 and Comparative Example 3 are superimposed. 実施例1及び比較例3の燃料電池セルのI−V曲線を重ねて示したグラフである。5 is a graph in which IV curves of fuel cells of Example 1 and Comparative Example 3 are superimposed.

本発明の燃料電池セルは、電解質膜の一面側にアノード電極を備え、他面側にカソード電極を備える膜・電極接合体と、前記膜・電極接合体を挟持する一対のガス拡散層と、前記膜・電極接合体及び一対のガス拡散層をさらに挟持しかつ前記ガス拡散層に面する側に溝構造を有する一対のセパレータと、を備える燃料電池セルであって、少なくともカソード電極側の前記ガス拡散層が、少なくとも球状カーボン、ポリテトラフルオロエチレン、及び分散媒を混合することにより、粘度が2,000cp以上3,000cp以下となる分散液を調製し、前記分散液をカーボンペーパーの片面に塗布し、前記分散液を塗布した後のカーボンペーパーを330℃で焼成することにより片面に撥水層が形成された、撥水層付きガス拡散層であり、前記撥水層付きガス拡散層における撥水層と前記カソード電極とが接していることを特徴とする。   The fuel cell of the present invention comprises a membrane / electrode assembly comprising an anode electrode on one side of the electrolyte membrane and a cathode electrode on the other side, a pair of gas diffusion layers sandwiching the membrane / electrode assembly, And a pair of separators further sandwiching the membrane-electrode assembly and the pair of gas diffusion layers and having a groove structure on the side facing the gas diffusion layer, at least on the cathode electrode side The gas diffusion layer mixes at least spherical carbon, polytetrafluoroethylene, and a dispersion medium to prepare a dispersion having a viscosity of 2,000 cp to 3,000 cp, and the dispersion is applied to one side of the carbon paper. A gas diffusion layer with a water-repellent layer, wherein a water-repellent layer is formed on one side by firing the carbon paper after coating and applying the dispersion at 330 ° C., Characterized in that said cathode electrode and water-repellent layer in the aqueous layer with gas diffusion layer is in contact.

本発明に使用される膜・電極接合体における電解質膜、アノード電極、及びカソード電極は、燃料電池を構成する膜・電極接合体に通常使用されるものをそれぞれ用いることができる。   As the electrolyte membrane, the anode electrode, and the cathode electrode in the membrane-electrode assembly used in the present invention, those usually used for the membrane-electrode assembly constituting the fuel cell can be used.

膜・電極接合体を挟持する一対のガス拡散層のうち、少なくともカソード電極側のガス拡散層としては、以下に説明する(1)分散液調製工程、(2)塗布工程、及び(3)焼成工程を経て製造された撥水層付きガス拡散層を用いる。   Of the pair of gas diffusion layers sandwiching the membrane / electrode assembly, at least the gas diffusion layer on the cathode electrode side will be described as follows: (1) dispersion preparation step, (2) coating step, and (3) firing. A gas diffusion layer with a water repellent layer produced through the process is used.

(1)分散液調製工程
本工程は、少なくとも球状カーボン、ポリテトラフルオロエチレン、及び分散媒を混合することにより、粘度が2,000cp以上3,000cp以下となる分散液を調製する工程である。
球状カーボンとしては、例えば、ケッチェンブラック等が使用できる。
分散媒としては、例えば、エタノール等のアルコールや水、及びこれらの混合液が使用できる。
粘度を2,000cp以上3,000cp以下とする方法として、例えば、球状カーボンとしてケッチェンブラックを、分散媒としてエタノールを使用した場合には、球状カーボン:ポリテトラフルオロエチレン:水=(70〜90質量%):(10〜25質量%):(2〜10質量%)とすること等が挙げられる。
また、粘度を調整する方法としては、例えば、球状カーボン、ポリテトラフルオロエチレン、及び分散媒に加えて、さらに増粘剤を混合する方法が挙げられる。上記3種類の原料(球状カーボン、ポリテトラフルオロエチレン、及び分散媒)の混合物への増粘剤の添加の時期が遅ければ遅いほど、粘度は高くなる傾向にある。上記混合物への増粘剤の添加の時期は、得られる分散液を塗布工程に供する直前であることが好ましい。増粘材としては、例えば、ポリエチレンオキサイドを使用できる。
得られた分散液の粘度を測定する方法としては、一般的なコーンプレート型(E型)回転粘度計を用いる方法が例示できる。
(1) Dispersion preparation step This step is a step of preparing a dispersion having a viscosity of 2,000 cp to 3,000 cp by mixing at least spherical carbon, polytetrafluoroethylene, and a dispersion medium.
For example, ketjen black can be used as the spherical carbon.
As the dispersion medium, for example, alcohol such as ethanol, water, and a mixed solution thereof can be used.
As a method for adjusting the viscosity to 2,000 cp to 3,000 cp, for example, when ketjen black is used as spherical carbon and ethanol is used as a dispersion medium, spherical carbon: polytetrafluoroethylene: water = (70 to 90 Mass%): (10 to 25 mass%): (2 to 10 mass%).
Moreover, as a method of adjusting a viscosity, the method of mixing a thickener in addition to spherical carbon, polytetrafluoroethylene, and a dispersion medium is mentioned, for example. As the timing of adding the thickener to the mixture of the three types of raw materials (spherical carbon, polytetrafluoroethylene, and dispersion medium) is later, the viscosity tends to be higher. The timing of adding the thickener to the mixture is preferably just before the resulting dispersion is subjected to the coating step. For example, polyethylene oxide can be used as the thickener.
As a method for measuring the viscosity of the obtained dispersion liquid, a method using a general cone plate type (E type) rotational viscometer can be exemplified.

(2)塗布工程
本工程は、分散液調製工程により得られた分散液をカーボンペーパーの片面に塗布する工程である。
分散液の塗布量は、分散液の組成にもよるが、例えば4〜50mg/cmが挙げられる。
塗布方法は特に限定されない。塗布方法の例としては、例えば、ダイコート塗布やスプレー塗布等が挙げられる。塗布の際に、基材であるカーボンペーパーに対する分散液の染み込みを、物理的方法により抑制してもよい。例えば、分散液を塗布する際に、カーボンペーパー越しに塗布面とは反対側から風を吹き付けることによって、風力を利用してカーボンペーパーに対する分散液の染み込みを抑えてもよい。また、カーボンペーパーを地面と平行に配置し、カーボンペーパーに対して分散液を鉛直下方より塗布することによって、重力を利用してカーボンペーパーに対する分散液の染み込みを抑えてもよい。
(2) Coating step This step is a step of coating the dispersion obtained in the dispersion preparation step on one side of the carbon paper.
The coating amount of the dispersion liquid is, for example, 4 to 50 mg / cm 2 although it depends on the composition of the dispersion liquid.
The application method is not particularly limited. Examples of the coating method include die coating and spray coating. At the time of application, the penetration of the dispersion liquid into the carbon paper as the base material may be suppressed by a physical method. For example, when applying the dispersion, wind may be blown from the side opposite to the application surface through the carbon paper to suppress the penetration of the dispersion into the carbon paper by using wind power. Alternatively, the carbon paper may be arranged in parallel with the ground, and the dispersion liquid may be applied to the carbon paper from below in the vertical direction, so that the penetration of the dispersion liquid into the carbon paper may be suppressed using gravity.

いわゆる平型セパレータと多孔質体とを組み合わせて用いる場合のように、燃料電池セルの平面方向にムラなくガスが拡散する構成においては、このような分散液の染み込みは考慮する必要がない。しかし、本発明のように溝構造を備えるセパレータを用いる場合には、後述する実施例に示すように、分散液の染み込む量によって、主に平面方向におけるガス拡散性が大きく異なる。   As in the case of using a combination of a so-called flat separator and a porous material, such a permeation of the dispersion does not need to be considered in a configuration in which the gas diffuses uniformly in the planar direction of the fuel cell. However, when a separator having a groove structure is used as in the present invention, the gas diffusibility mainly in the plane direction varies greatly depending on the amount of the dispersion soaked, as shown in the examples described later.

(3)焼成工程
本工程は、分散液を塗布した後のカーボンペーパーを330℃以上(好適には330℃)で焼成することにより、カーボンペーパーの片面に撥水層を形成する工程である。
焼成温度の上限は、撥水層形成時の焼成に通常用いられる温度であれば、特に限定されない。焼成温度の上限は、例えば、500℃としてもよい。
このように焼成工程を経て得られた撥水層付きガス拡散層は、撥水層が形成された面がカソード電極と接するように配置される。
(3) Firing step This step is a step of forming a water-repellent layer on one side of the carbon paper by firing the carbon paper after applying the dispersion at 330 ° C or higher (preferably 330 ° C).
The upper limit of the firing temperature is not particularly limited as long as it is a temperature usually used for firing at the time of forming the water repellent layer. The upper limit of the firing temperature may be 500 ° C., for example.
Thus, the gas diffusion layer with a water repellent layer obtained through the firing step is disposed so that the surface on which the water repellent layer is formed is in contact with the cathode electrode.

なお、アノード電極側のガス拡散層は、撥水層付きガス拡散層であってもよいし、撥水処理が施されていないガス拡散層(カーボンペーパー等)であってもよい。   The gas diffusion layer on the anode electrode side may be a gas diffusion layer with a water repellent layer or a gas diffusion layer (carbon paper or the like) that has not been subjected to a water repellent treatment.

本発明に使用される一対のセパレータは、膜・電極接合体及びガス拡散層を含む挟持体をさらに挟持する。各セパレータは、ガス拡散層に面する側にそれぞれ溝構造を有する。
溝構造の形状には、燃料電池に通常使用されるセパレータの溝構造が採用される。
The pair of separators used in the present invention further sandwich a sandwich body including a membrane / electrode assembly and a gas diffusion layer. Each separator has a groove structure on the side facing the gas diffusion layer.
As the shape of the groove structure, a groove structure of a separator usually used for a fuel cell is adopted.

このように、2,000cp以上3,000cp以下の粘度の分散液を使用し、かつ焼成温度が330℃以上の焼成を経て得られたガス拡散層を用いることにより、カーボンペーパーに対する分散液の染み込みを抑え、かつ放電時にガス拡散層におけるリブ近傍のガス拡散性を高く維持し、その結果として燃料電池セルの性能低下を抑制できる。   Thus, by using a dispersion liquid having a viscosity of 2,000 cp or more and 3,000 cp or less and using a gas diffusion layer obtained through firing at a firing temperature of 330 ° C. or more, the dispersion of the carbon paper is infiltrated. In addition, the gas diffusivity in the vicinity of the rib in the gas diffusion layer can be kept high during discharge, and as a result, the performance degradation of the fuel cell can be suppressed.

以下に、実施例及び比較例を挙げて、本発明を更に具体的に説明するが、本発明は、これらの実施例のみに限定されるものではない。   EXAMPLES Hereinafter, the present invention will be described more specifically with reference to examples and comparative examples, but the present invention is not limited only to these examples.

1.燃料電池セルの製造
[実施例1]
まず、撥水層用分散液を準備した。球状カーボン(アセチレンブラック)14質量%、ポリテトラフルオロエチレン6質量%、及び分散媒(水)79.8質量%を混合した。これら3種類の原料を混合した後、カーボンペーパー(ガス拡散層基材)に塗布する直前に、増粘剤としてポリエチレンオキサイド(特開2013−191537号公報参照)0.2質量%をさらに混合した。
調製した撥水層用分散液の粘度を、コーンプレート型(E型)回転粘度計により、温度25℃、回転数25rpmで、15秒間の条件で測定したところ、3,000cpであった。
上記撥水層用分散液をカーボンペーパーの片面に、塗布量20mg/cmでダイコート塗布した。その後、カーボンペーパーを330℃で焼成し、撥水層付きガス拡散層を得た。
1. Production of fuel cell [Example 1]
First, a water repellent layer dispersion was prepared. 14% by mass of spherical carbon (acetylene black), 6% by mass of polytetrafluoroethylene, and 79.8% by mass of a dispersion medium (water) were mixed. After mixing these three types of raw materials, just before applying to carbon paper (gas diffusion layer substrate), 0.2% by mass of polyethylene oxide (see JP2013-191537A) was further mixed as a thickener. .
The viscosity of the prepared dispersion for water repellent layer was measured with a cone plate type (E type) rotational viscometer at a temperature of 25 ° C. and a rotational speed of 25 rpm for 15 seconds.
The water repellent layer dispersion was die coated on one side of carbon paper at a coating amount of 20 mg / cm 2 . Thereafter, the carbon paper was fired at 330 ° C. to obtain a gas diffusion layer with a water repellent layer.

次に、電解質膜の一面側にアノード電極を備え、他面側にカソード電極を備える膜・電極接合体を準備した。続いて、膜・電極接合体を一対のガス拡散層により挟持した。このとき、カソード電極に接するガス拡散層を上記撥水層付きガス拡散層とし、かつ、撥水層付きガス拡散層における撥水層(撥水層用分散液を塗布した面)と、カソード電極とが接するようにした。なお、アノード電極側のガス拡散層は、カーボンペーパーとした。
上記挟持体をさらに一対のセパレータにより挟持して、実施例1の燃料電池セルを得た。このとき、セパレータとして溝構造を片面に備えるものを用い、かつセパレータの当該面とガス拡散層とが接するように挟持した。
Next, a membrane / electrode assembly having an anode electrode on one side of the electrolyte membrane and a cathode electrode on the other side was prepared. Subsequently, the membrane / electrode assembly was sandwiched between a pair of gas diffusion layers. At this time, the gas diffusion layer in contact with the cathode electrode is the gas diffusion layer with the water repellent layer, and the water repellent layer (the surface coated with the water repellent layer dispersion) in the gas diffusion layer with the water repellent layer, and the cathode electrode And touched. The gas diffusion layer on the anode electrode side was carbon paper.
The sandwiched body was further sandwiched between a pair of separators to obtain a fuel cell of Example 1. At this time, a separator having a groove structure on one side was used, and the separator was sandwiched so that the surface and the gas diffusion layer were in contact with each other.

[実施例2]
球状カーボン、PTFE、及び分散媒の種類及び混合比は、実施例1と同様である。これら3種類の原料を混合した後、実施例1より早い時期に、増粘剤としてポリエチレンオキサイド0.2質量%をさらに混合した。
調製した撥水層用分散液の粘度を、実施例1と同様の方法で測定したところ、2,000cpであった。
次に、実施例1と同様に撥水層付きガス拡散層を作製した。得られた撥水層付きガス拡散層と併せて、実施例1と同様の膜・電極接合体、アノード電極側のガス拡散層(カーボンペーパー)、及び一対のセパレータを用いて、実施例2の燃料電池セルを作製した。
[Example 2]
The types and mixing ratio of the spherical carbon, PTFE, and dispersion medium are the same as those in Example 1. After mixing these three types of raw materials, 0.2% by mass of polyethylene oxide was further mixed as a thickener at a time earlier than Example 1.
The viscosity of the prepared dispersion for water repellent layer was measured by the same method as in Example 1 and found to be 2,000 cp.
Next, a gas diffusion layer with a water repellent layer was prepared in the same manner as in Example 1. Along with the obtained gas diffusion layer with water repellent layer, the same membrane / electrode assembly as in Example 1, a gas diffusion layer (carbon paper) on the anode electrode side, and a pair of separators were used. A fuel cell was produced.

[比較例1]
球状カーボン、PTFE、及び分散媒の種類及び混合比は、実施例1と同様である。これら3種類の原料を混合した後、カーボンペーパー(ガス拡散層基材)に塗布する直前に、増粘剤としてポリエチレンオキサイド0.2質量%をさらに混合した。
調製した撥水層用分散液の粘度を、実施例1と同様の方法で測定したところ、3,000cpであった。
次に、撥水層用分散液をカーボンペーパーの片面に、塗布量20mg/cmでダイコート塗布した。その後、カーボンペーパーを250℃で焼成し、撥水層付きガス拡散層を得た。
得られた撥水層付きガス拡散層と併せて、実施例1と同様の膜・電極接合体、アノード電極側のガス拡散層(カーボンペーパー)、及び一対のセパレータを用いて、比較例1の燃料電池セルを作製した。
[Comparative Example 1]
The types and mixing ratio of the spherical carbon, PTFE, and dispersion medium are the same as those in Example 1. After mixing these three types of raw materials, 0.2 mass% of polyethylene oxide was further mixed as a thickener immediately before being applied to carbon paper (gas diffusion layer substrate).
The viscosity of the prepared dispersion for water-repellent layer was measured by the same method as in Example 1. As a result, it was 3,000 cp.
Next, the water repellent layer dispersion was die coated on one side of the carbon paper at a coating amount of 20 mg / cm 2 . Thereafter, the carbon paper was fired at 250 ° C. to obtain a gas diffusion layer with a water repellent layer.
Along with the obtained gas diffusion layer with water repellent layer, the same membrane / electrode assembly as in Example 1, a gas diffusion layer (carbon paper) on the anode electrode side, and a pair of separators were used. A fuel cell was produced.

[比較例2]
球状カーボン、PTFE、及び分散媒の種類及び混合比は、実施例1と同様である。これら3種類の原料を混合した後、実施例1より早い時期かつ実施例2よりも遅い時期に、増粘剤としてポリエチレンオキサイド0.2質量%をさらに混合した。
調製した撥水層用分散液の粘度を、実施例1と同様の方法で測定したところ、2,500cpであった。
次に、撥水層用分散液をカーボンペーパーの片面に、塗布量20mg/cmでダイコート塗布した。その後、カーボンペーパーを250℃で焼成し、撥水層付きガス拡散層を得た。
得られた撥水層付きガス拡散層と併せて、実施例1と同様の膜・電極接合体、アノード電極側のガス拡散層(カーボンペーパー)、及び一対のセパレータを用いて、比較例2の燃料電池セルを作製した。
[Comparative Example 2]
The types and mixing ratio of the spherical carbon, PTFE, and dispersion medium are the same as those in Example 1. After mixing these three kinds of raw materials, 0.2% by mass of polyethylene oxide was further mixed as a thickener at a time earlier than Example 1 and later than Example 2.
The viscosity of the prepared dispersion for water-repellent layer was measured by the same method as in Example 1. As a result, it was 2,500 cp.
Next, the water repellent layer dispersion was die coated on one side of the carbon paper at a coating amount of 20 mg / cm 2 . Thereafter, the carbon paper was fired at 250 ° C. to obtain a gas diffusion layer with a water repellent layer.
In combination with the obtained gas diffusion layer with water repellent layer, the same membrane / electrode assembly as in Example 1, a gas diffusion layer (carbon paper) on the anode electrode side, and a pair of separators were used. A fuel cell was produced.

[比較例3]
球状カーボン、PTFE、及び分散媒の種類及び混合比は、実施例1と同様である。これら3種類の原料と、増粘剤としてポリエチレンオキサイド0.2質量%とを一度に混合した。
調製した撥水層用分散液の粘度を、実施例1と同様の方法で測定したところ、1,500cpであった。
次に、撥水層用分散液をカーボンペーパーの片面に、塗布量20mg/cmでダイコート塗布した。その後、カーボンペーパーを250℃で焼成し、撥水層付きガス拡散層を得た。
得られた撥水層付きガス拡散層と併せて、実施例1と同様の膜・電極接合体、アノード電極側のガス拡散層(カーボンペーパー)、及び一対のセパレータを用いて、比較例3の燃料電池セルを作製した。
[Comparative Example 3]
The types and mixing ratio of the spherical carbon, PTFE, and dispersion medium are the same as those in Example 1. These three types of raw materials and 0.2% by mass of polyethylene oxide as a thickener were mixed at a time.
The viscosity of the prepared dispersion for water-repellent layer was measured by the same method as in Example 1, and was 1,500 cp.
Next, the water repellent layer dispersion was die coated on one side of the carbon paper at a coating amount of 20 mg / cm 2 . Thereafter, the carbon paper was fired at 250 ° C. to obtain a gas diffusion layer with a water repellent layer.
In combination with the obtained gas diffusion layer with water repellent layer, the same membrane / electrode assembly as in Example 1, a gas diffusion layer (carbon paper) on the anode electrode side, and a pair of separators were used. A fuel cell was produced.

2.ガス拡散性評価
実施例1〜2、及び比較例1〜3の燃料電池セルについて、下記条件下で限界電流値(最大電流値)の測定を行った。
水素ガス流量:1NL/min
空気流量:1NL/min
背圧:150kPa
セル温度:60℃
露点:55℃
2. Gas diffusivity evaluation About the fuel cell of Examples 1-2 and Comparative Examples 1-3, the limit current value (maximum current value) was measured on condition of the following.
Hydrogen gas flow rate: 1 NL / min
Air flow rate: 1NL / min
Back pressure: 150kPa
Cell temperature: 60 ° C
Dew point: 55 ° C

図1は、実施例1〜2、及び比較例1〜3の各燃料電池セルにおける、セパレータ及びガス拡散層の積層部分を拡大して示した断面模式図である。図1中の数値は長さ(mm)を表す。
図1において、セパレータc及びガス拡散層dとの間には、ガス流路gが設けられている。ガス流路gは、セパレータcに設けられた溝構造の一部である。図1に示すように、ガス拡散層dの厚さは0.2mm(=200μm)である。また、図1に示すように、ガス流路g間の間隔は9.2mmであり、ガス流路gの幅は1.2mmであり、ガス流路gの深さは1.5mmである。ガス流路gからガス拡散層dの中央付近まで延びる折れ曲がった矢印は、供給ガスの拡散経路を示す。ガスの拡散距離Lは0.275mmである。なお、図1に係る積層部分の奥行bは10(mm)である。
ガス流路g間の間隔の中央部分に窓aを幅7mmで設けた。測定限界電流Ilim(A)の場合、ガスの拡散距離L相当の拡散抵抗Rmol@Lは、下記式(1)により求められる。
FIG. 1 is an enlarged schematic cross-sectional view showing a laminated portion of a separator and a gas diffusion layer in each of the fuel cells of Examples 1-2 and Comparative Examples 1-3. The numerical value in FIG. 1 represents length (mm).
In FIG. 1, a gas flow path g is provided between the separator c and the gas diffusion layer d. The gas flow path g is a part of a groove structure provided in the separator c. As shown in FIG. 1, the thickness of the gas diffusion layer d is 0.2 mm (= 200 μm). Moreover, as shown in FIG. 1, the space | interval between the gas flow paths g is 9.2 mm, the width of the gas flow path g is 1.2 mm, and the depth of the gas flow path g is 1.5 mm. A bent arrow extending from the gas flow path g to the vicinity of the center of the gas diffusion layer d indicates a supply gas diffusion path. The gas diffusion distance L is 0.275 mm. In addition, the depth b of the laminated part which concerns on FIG. 1 is 10 (mm).
A window a was provided with a width of 7 mm at the center of the space between the gas flow paths g. In the case of the measurement limit current I lim (A), the diffusion resistance R mol @ L corresponding to the gas diffusion distance L is obtained by the following equation (1).

(上記式(1)中、Rmol@Lは拡散距離L(m)相当の拡散抵抗を、Fはファラデー定数(96485(sAmol−1))を、Rは気体定数(8.31(JK−1mol−1))を、Tは温度(K)を、PO2_ffは流路内の酸素分圧(Pa)を、Ilimは測定限界電流(A)を、dはガス拡散層厚み(m)を、bはガス拡散層の奥行き(m)を、Rotherは分子拡散抵抗以外の拡散抵抗(例えばknudsen拡散抵抗)(s/m)を、aは窓(m)を、Lは拡散距離(m)を、それぞれ示す。)
上記式(1)より得られたガスの拡散距離L相当の拡散抵抗Rmol@Lを、その燃料電池セルにおける面内ガス拡散抵抗とした。
(In the above formula (1), R mol @ L is the diffusion resistance corresponding to the diffusion distance L (m), F is the Faraday constant (96485 (sAmol −1 )), and R is the gas constant (8.31 (JK − 1 mol −1 )), T is the temperature (K), P O2_ff is the oxygen partial pressure (Pa) in the flow path, I lim is the measurement limit current (A), and d is the thickness of the gas diffusion layer (m the), b is the gas diffusion layer depth of the (m), R other diffusion resistance than molecular diffusion resistance (e.g. knudsen diffusion resistance) (s / m), a is a window (m), L is the diffusion length (M) is shown respectively.)
The diffusion resistance R mol @ L corresponding to the gas diffusion distance L obtained from the above equation (1) was defined as the in-plane gas diffusion resistance in the fuel cell.

図2は、実施例1〜2、及び比較例1〜3の燃料電池セルの面内ガス拡散抵抗と、これら燃料電池セルの製造に用いた撥水層用分散液の粘度との関係を示すグラフである。図2は、縦軸に面内ガス拡散抵抗(s/m)を、横軸に撥水層用分散液の粘度(cp)を、それぞれとったグラフである。図2中の四角形のプロットは、330℃で焼成して得られた撥水層付きガス拡散層を用いた実験結果を示す。図2中の菱形のプロットは、250℃で焼成して得られた撥水層付きガス拡散層を用いた実験結果を示す。
まず、図2の比較例3の結果より、粘度が1,500cpの撥水層用分散液を用いて得られた撥水層付きガス拡散層は、燃料電池セルの面内ガス拡散抵抗を25s/mとすることが分かる。これは、粘度の低い撥水層用分散液がカーボンペーパーの内部まで染み込んだ結果、撥水層付きガス拡散層のガス拡散性を悪化させたためと考えられる。
また、図2の比較例1〜3の結果より、250℃焼成を経て得られた撥水層付きガス拡散層は、燃料電池セルの面内ガス拡散抵抗を22s/m以上とすることが分かる。これは、焼成温度が低すぎることにより、撥水層用分散液がカーボンペーパーの内部まで染み込んだ結果、ガス拡散性が低くなるためである。
一方、図2の実施例1〜2の結果より、粘度が2,000〜3,000cpの撥水層用分散液を用い、かつ330℃焼成を経て得られた撥水層付きガス拡散層は、燃料電池セルの面内ガス拡散抵抗を21s/m以下とすることが分かる。これは、撥水層用分散液の粘度を特定の範囲とし、かつ焼成温度を高くすることにより、撥水層用分散液をカーボンペーパーの表面に留める結果、ガス拡散性を高く維持できるためである。
このように、撥水層用分散液の粘度を2,000〜3,000cpとし、焼成温度を330℃以上とすることにより、撥水層用分散液の染み込み量を抑制でき、得られる撥水層付きガス拡散層のガス拡散性を高く維持することができる。
FIG. 2 shows the relationship between the in-plane gas diffusion resistance of the fuel cells of Examples 1 and 2 and Comparative Examples 1 to 3 and the viscosity of the water repellent layer dispersion used in the production of these fuel cells. It is a graph. FIG. 2 is a graph in which the vertical axis represents the in-plane gas diffusion resistance (s / m) and the horizontal axis represents the viscosity (cp) of the water repellent layer dispersion. The square plots in FIG. 2 show the experimental results using a gas diffusion layer with a water repellent layer obtained by firing at 330 ° C. The rhombus plots in FIG. 2 show the experimental results using a gas diffusion layer with a water repellent layer obtained by firing at 250 ° C.
First, from the result of Comparative Example 3 in FIG. 2, the gas diffusion layer with a water repellent layer obtained using the water repellent layer dispersion having a viscosity of 1,500 cp has an in-plane gas diffusion resistance of the fuel cell of 25 s. It can be seen that / m. This is presumably because the water-repellent layer dispersion having a low viscosity soaked into the inside of the carbon paper, which deteriorated the gas diffusibility of the water-repellent layer-attached gas diffusion layer.
Further, from the results of Comparative Examples 1 to 3 in FIG. 2, it is understood that the gas diffusion layer with a water repellent layer obtained by baking at 250 ° C. has an in-plane gas diffusion resistance of the fuel battery cell of 22 s / m or more. . This is because the gas diffusibility becomes low as a result of the water-repellent layer dispersion soaking into the carbon paper due to the firing temperature being too low.
On the other hand, from the results of Examples 1 and 2 in FIG. 2, the gas diffusion layer with a water repellent layer obtained by using a dispersion for a water repellent layer having a viscosity of 2,000 to 3,000 cp and baking at 330 ° C. It can be seen that the in-plane gas diffusion resistance of the fuel battery cell is 21 s / m or less. This is because the water-repellent layer dispersion can be kept high on the surface of the carbon paper by keeping the viscosity of the water-repellent layer dispersion in a specific range and increasing the firing temperature, so that the gas diffusibility can be kept high. is there.
In this way, by setting the viscosity of the water repellent layer dispersion to 2,000 to 3,000 cp and the firing temperature to 330 ° C. or higher, the amount of the water repellent layer dispersion permeated can be suppressed, and the water repellent obtained The gas diffusibility of the layered gas diffusion layer can be maintained high.

3.IV試験
まず、実施例1及び比較例3の燃料電池セルについて、セルの平面に垂直な方向のガス拡散性を評価する目的で、以下の条件下でIV試験を実施し、I−V曲線を得た(図3)。
・燃料ガス:水素ガス、露点55℃
・酸化剤ガス:1%O(99%N)、露点55℃
・セル温度:60℃
である。ガス拡散抵抗は下記式(2)により算出される。
3. IV Test First, with respect to the fuel cells of Example 1 and Comparative Example 3, for the purpose of evaluating gas diffusivity in a direction perpendicular to the plane of the cell, an IV test was performed under the following conditions, and an IV curve was obtained. Obtained (FIG. 3).
・ Fuel gas: Hydrogen gas, dew point 55 ℃
Oxidant gas: 1% O 2 (99% N 2 ), dew point 55 ° C.
-Cell temperature: 60 ° C
It is. The gas diffusion resistance is calculated by the following formula (2).

(上記式(2)中、Rmolはガス拡散抵抗を、F、R、T、PO2_ff、Ilim、及びRotherは上記式(1)と同様のものを示す。) (In the above formula (2), R mol represents gas diffusion resistance, and F, R, T, P O2 — ff , I lim , and R other represent the same as in the above formula (1).)

次に、実施例1及び比較例3の燃料電池セルについて、セルの平面に平行な方向のガス拡散性を評価する目的で、以下の条件下でIV試験を実施し、I−V曲線を得た(図4)。
・燃料ガス:水素ガス、露点55℃
・酸化剤ガス:空気、露点55℃
・セル温度:60℃
Next, for the fuel cells of Example 1 and Comparative Example 3, for the purpose of evaluating gas diffusivity in a direction parallel to the plane of the cell, an IV test was performed under the following conditions to obtain an IV curve. (FIG. 4).
・ Fuel gas: Hydrogen gas, dew point 55 ℃
Oxidant gas: air, dew point 55 ° C
-Cell temperature: 60 ° C

図3及び図4は、実施例1及び比較例3の燃料電池セルのI−V曲線を重ねて示したグラフである。上記試験方法より、図3からは、燃料電池セルの平面に垂直な方向のガス拡散性が評価でき、図4からは、燃料電池セルの平面に平行な方向のガス拡散性が評価できる。
図3においては、実施例1及び比較例3の燃料電池セルに顕著な性能差は見られない。この結果より、これらの燃料電池セルにおいては、当該燃料電池セルの平面に垂直な方向のガス拡散性に差はないことが分かる。
一方、図4においては、実施例1の燃料電池セルは、比較例3の燃料電池セルと比較して、0.05〜0.9Vのほぼ全ての電位の領域にわたって、電流密度が高い。この結果より、実施例1は比較例3よりも、燃料電池セルの平面に平行な方向のガス拡散性が顕著に高いことが分かる。
上記図2の考察に基づくと、比較例3に使用された撥水層用分散液は、実施例1に使用された撥水層用分散液よりも粘度が低いため、カーボンペーパーへの染み込み量が多くなる結果、ガス拡散性が悪化する。ここで、ガス拡散性の方向を、燃料電池セルの平面に平行な方向と垂直な方向とに分解した場合、図3の結果からは、ガス拡散層自体の厚みが減る効果と、撥水層用分散液の染み込みによる効果とが互いに相殺し合う結果、燃料電池セルの平面に垂直な方向のガス拡散性は、実施例1と比較例3とでほぼ変わらない。
したがって、以上の考察と図4の結果とを合わせ鑑みると、撥水層用分散液の粘度による影響は、燃料電池セルの平面に平行な方向のガス拡散性に対して及ぶことが確認できる。
3 and 4 are graphs in which the IV curves of the fuel cells of Example 1 and Comparative Example 3 are overlaid. From the above test method, the gas diffusivity in the direction perpendicular to the plane of the fuel cell can be evaluated from FIG. 3, and the gas diffusivity in the direction parallel to the plane of the fuel cell can be evaluated from FIG.
In FIG. 3, there is no significant difference in performance between the fuel cells of Example 1 and Comparative Example 3. From these results, it can be seen that these fuel cells have no difference in gas diffusivity in a direction perpendicular to the plane of the fuel cells.
On the other hand, in FIG. 4, the fuel cell of Example 1 has a higher current density over almost the entire potential region of 0.05 to 0.9 V compared to the fuel cell of Comparative Example 3. From this result, it can be seen that Example 1 has significantly higher gas diffusivity in the direction parallel to the plane of the fuel cell than Comparative Example 3.
Based on the consideration of FIG. 2 above, since the water repellent layer dispersion used in Comparative Example 3 has a lower viscosity than the water repellent layer dispersion used in Example 1, the amount of soaking into the carbon paper As a result, the gas diffusibility deteriorates. Here, when the gas diffusibility direction is decomposed into a direction parallel to the plane of the fuel cell and a direction perpendicular to the plane, the effect of reducing the thickness of the gas diffusion layer itself and the water repellent layer are shown in FIG. As a result of the mutual cancellation of the effects of the soaking liquid dispersion, the gas diffusivity in the direction perpendicular to the plane of the fuel cell is almost the same between Example 1 and Comparative Example 3.
Therefore, when the above consideration and the result of FIG. 4 are taken into consideration, it can be confirmed that the influence of the viscosity of the water repellent layer dispersion affects the gas diffusivity in the direction parallel to the plane of the fuel cell.

a 窓
c セパレータ
d ガス拡散層
g ガス流路
a Window c Separator d Gas diffusion layer g Gas flow path

Claims (1)

電解質膜の一面側にアノード電極を備え、他面側にカソード電極を備える膜・電極接合体と、
前記膜・電極接合体を挟持する一対のガス拡散層と、
前記膜・電極接合体及び一対のガス拡散層をさらに挟持しかつ前記ガス拡散層に面する側に溝構造を有する一対のセパレータと、
を備える燃料電池セルであって、
少なくともカソード電極側の前記ガス拡散層が、
少なくとも球状カーボン、ポリテトラフルオロエチレン、及び分散媒を混合することにより、粘度が2,000cp以上3,000cp以下となる分散液を調製し、
前記分散液をカーボンペーパーの片面に塗布し、
前記分散液を塗布した後のカーボンペーパーを330℃で焼成することにより片面に撥水層が形成された、撥水層付きガス拡散層であり、
前記撥水層付きガス拡散層における撥水層と前記カソード電極とが接していることを特徴とする、燃料電池セル。
A membrane / electrode assembly comprising an anode electrode on one side of the electrolyte membrane and a cathode electrode on the other side;
A pair of gas diffusion layers sandwiching the membrane-electrode assembly;
A pair of separators further sandwiching the membrane-electrode assembly and the pair of gas diffusion layers and having a groove structure on the side facing the gas diffusion layer;
A fuel cell comprising:
At least the gas diffusion layer on the cathode electrode side,
By mixing at least spherical carbon, polytetrafluoroethylene, and a dispersion medium, a dispersion having a viscosity of 2,000 cp to 3,000 cp is prepared,
Apply the dispersion to one side of carbon paper,
It is a gas diffusion layer with a water repellent layer in which a water repellent layer is formed on one side by firing the carbon paper after applying the dispersion at 330 ° C.,
The fuel cell, wherein the water repellent layer in the gas diffusion layer with the water repellent layer is in contact with the cathode electrode.
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