JP2020149895A - Fuel battery cell and manufacturing method thereof - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料電池セル及びその製造方法に関する。 The present invention relates to a fuel cell and a method for manufacturing the same.
燃料電池は、電気的に接続された2つの電極に燃料ガス(水素ガス)と酸化剤ガス(酸素ガス)を供給し、電気化学的に燃料の酸化を起こさせることで、化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換する。この燃料電池は、通常、電解質膜を一対の電極で挟持した膜電極接合体を基本構造とする燃料電池セル(単セル)を複数積層して構成されている。中でも、電解質膜として固体高分子電解質膜を用いた固体高分子電解質型燃料電池は、小型化が容易であること、低い温度で作動すること、などの利点があることから、特に携帯用、移動体用電源として注目されている。 A fuel cell supplies chemical energy directly to electricity by supplying fuel gas (hydrogen gas) and oxidant gas (oxygen gas) to two electrically connected electrodes and electrochemically causing oxidation of the fuel. Convert to energy. This fuel cell is usually configured by stacking a plurality of fuel cell cells (single cells) having a membrane electrode assembly in which an electrolyte membrane is sandwiched between a pair of electrodes. Among them, the polymer electrolyte electrolyte fuel cell using the polymer electrolyte membrane as the electrolyte membrane has advantages such as easy miniaturization and operation at a low temperature, so that it is particularly portable and mobile. It is attracting attention as a body power source.
固体高分子電解質型燃料電池において、水素が供給されたアノード(燃料極)では下記(1)式の反応が進行する。
H2 → 2H+ + 2e− ・・・(1)
In the polymer electrolyte fuel cell, the reaction of the following formula (1) proceeds at the anode (fuel electrode) to which hydrogen is supplied.
H 2 → 2H + + 2e - ··· (1)
上記(1)式で生じる電子は、外部回路を経由し、外部の負荷で仕事をした後、カソード(酸化剤極)に到達する。他方で、上記(1)式で生じたプロトンは、水と水和した状態で、電気浸透により固体高分子電解質膜内をアノード側からカソード側に移動する。 The electrons generated by the above equation (1) reach the cathode (oxidizing agent electrode) after working under an external load via an external circuit. On the other hand, the protons generated by the above equation (1) move from the anode side to the cathode side in the solid polymer electrolyte membrane by electroosmosis in a state of being hydrated with water.
一方、カソードでは下記(2)式の反応が進行する。
2H+ + 1/2O2 + 2e− → H2O ・・・(2)
On the other hand, at the cathode, the reaction of the following equation (2) proceeds.
2H + + 1 / 2O 2 + 2e − → H 2 O ・ ・ ・ (2)
従って、電池全体では下記(3)に示す化学反応が進行し、起電力が生じて外部負荷に対して電気的仕事がなされる。
H2 + 1/2O2 → H2O ・・・(3)
Therefore, the chemical reaction shown in (3) below proceeds in the entire battery, electromotive force is generated, and electrical work is performed on the external load.
H 2 + 1 / 2O 2 → H 2 O ・ ・ ・ (3)
アノード及びカソードの各電極は、一般的に、電解質膜側から順に触媒層、ガス拡散層が積層した構造を有する。触媒層には、通常、上記電極反応を促進させるための白金や白金合金等の電極触媒、プロトン伝導性を確保するための高分子電解質、電子伝導性を確保するための導電性材料が含まれている。また、ガス拡散層は、通常、触媒層への反応ガスの供給、電極中の余剰の水分の排出等を可能とする導電性多孔質体を用いて形成される。 Each electrode of the anode and the cathode generally has a structure in which a catalyst layer and a gas diffusion layer are laminated in this order from the electrolyte membrane side. The catalyst layer usually contains an electrode catalyst such as platinum or a platinum alloy for promoting the electrode reaction, a polymer electrolyte for ensuring proton conductivity, and a conductive material for ensuring electron conductivity. ing. Further, the gas diffusion layer is usually formed by using a conductive porous body capable of supplying the reaction gas to the catalyst layer, discharging excess water in the electrode, and the like.
パーフルオロカーボンスルホン酸樹脂膜に代表される固体高分子電解質膜を備えた燃料電池では、イオン伝導性を確保するために、電解質膜や触媒層の湿潤状態を維持することが重要である。そのため、一般的に、反応ガスを予め加湿した状態で電極に供給することが行われている。 In a fuel cell provided with a solid polymer electrolyte membrane represented by a perfluorocarbon sulfonic acid resin membrane, it is important to maintain a wet state of the electrolyte membrane and the catalyst layer in order to ensure ionic conductivity. Therefore, in general, the reaction gas is supplied to the electrode in a pre-humidified state.
一方で、燃料電池では、上記したように、発電に伴って水が生成する。生成した水の多くは、電極から排出される未反応ガス(電極反応に寄与しなかった反応ガス)や水蒸気として供給される加湿水と共に、セル外へと排出される。しかしながら、生成水や、反応ガスと共に電極に水蒸気として供給された加湿水の一部は、燃料電池内の環境によっては凝縮し、電極内に液体の状態で存在することになる。このとき、凝縮した水(液水)が電極内に滞留すると液水がつまり、いわゆるフラッディングが起きて、反応ガスの供給が妨げられ、発電性能が低下してしまう。特に、燃料電池を高加湿条件下で運転する場合には、液水が多く発生するため、電極の液水の排出性を確保する必要がある。 On the other hand, in a fuel cell, as described above, water is generated along with power generation. Most of the generated water is discharged to the outside of the cell together with the unreacted gas (reaction gas that did not contribute to the electrode reaction) discharged from the electrode and the humidified water supplied as water vapor. However, a part of the generated water and the humidified water supplied as water vapor to the electrode together with the reaction gas is condensed depending on the environment in the fuel cell and exists in the electrode in a liquid state. At this time, if the condensed water (liquid water) stays in the electrode, the liquid water is clogged, that is, so-called flooding occurs, the supply of the reaction gas is hindered, and the power generation performance deteriorates. In particular, when the fuel cell is operated under high humidification conditions, a large amount of liquid water is generated, so it is necessary to ensure the discharge of liquid water from the electrodes.
従って、電極内の液水を、速やかにセル外へと排出し、電極内での滞留を防止することが望まれている。 Therefore, it is desired that the liquid water in the electrode is quickly discharged to the outside of the cell to prevent the liquid water from staying in the electrode.
このフラッディングを抑制するためのガス拡散層として、多孔質構造を有する多孔質基材層に、多孔質基材層よりも小さな細孔径を有する微細多孔質層(もしくはマイクロポーラス層とも呼ぶ)が積層された構造を有するものが知られている。この微細多孔質層を設けることにより、微細多孔質層の極微細な多孔質構造が液水膜の形成を阻害し、ガス拡散層の排水性を向上させるとされている。 As a gas diffusion layer for suppressing this flooding, a microporous layer (also referred to as a microporous layer) having a pore diameter smaller than that of the porous substrate layer is laminated on the porous substrate layer having a porous structure. Those having the above-mentioned structure are known. By providing this fine porous layer, it is said that the ultrafine porous structure of the fine porous layer inhibits the formation of a liquid water film and improves the drainage property of the gas diffusion layer.
このような微細多孔質層は、微細多孔質層形成用塗工液を多孔質基材層に塗布し、焼成することによって形成されるが、この塗布の際に微細多孔質層形成用塗工液が多孔質基材層中に浸透し、多孔質基材層を貫通する裏抜けという現象が発生することがある。この微細多孔質層形成用塗工液の多孔質基材層への浸み込み及び裏抜けが発生すると、ガス拡散層のガス拡散性の低下を招くおそれがある。 Such a fine porous layer is formed by applying a coating liquid for forming a fine porous layer to a porous base material layer and firing it. At the time of this coating, a coating for forming a fine porous layer is formed. A phenomenon called strike-through may occur in which the liquid permeates into the porous base material layer and penetrates through the porous base material layer. If the coating liquid for forming a fine porous layer penetrates into the porous base material layer and strike-through occurs, the gas diffusibility of the gas diffusion layer may decrease.
このような微細多孔質層形成用塗工液の裏抜けを防止するため、多くの技術が提案されている。特許文献1には、多孔質基材層と微細多孔質層とを有する燃料電池用ガス拡散層の製造方法であって、多孔質基材層の一方の面に微細多孔質層形成用塗工液を塗布するとともに、多孔質基材層の他方の面に撥水処理用の塗工液を塗布する工程を有する方法が提案されている。また、特許文献2には、多孔質基材層に撥水処理用の塗工液を塗布し、次いで微細多孔質層形成用塗工液を塗布する工程を備え、多孔質基材層を搬送するローラーの多孔質基材層との接触面が撥水性である、燃料電池用ガス拡散層の製造方法が提案されている。
Many techniques have been proposed in order to prevent strike-through of such a coating liquid for forming a fine porous layer.
特許文献1及び特許文献2に記載のガス拡散層の製造方法によれば、多孔質基材層に撥水処理用の塗工液を塗布することにより、あるいは多孔質基材層の搬送ローラーの表面を撥水性とすることにより、微細多孔質層形成用塗工液の多孔質基材層からの裏抜け量を低減することができるが、多孔質基材層内部への微細多孔質層形成用塗工液の浸み込みを十分に抑制することができない。その結果、このような従来の方法においては、多孔質基材層に微細多孔質層形成用塗工液を塗布する際に、微細多孔質層形成用塗工液が多孔質基材層内部に浸み込み、多孔質基材層内部のガス拡散性を阻害させることにより、得られるガス拡散層を組み込んだ燃料電池の発電性能を低下させるという問題がある。
According to the method for producing a gas diffusion layer described in
本発明は、上記実情を鑑みてなされたものであり、微細多孔質層形成用塗工液の多孔質基材層内部への浸み込みを抑制し、かつ多孔質基材層内部のガス拡散性の低下を抑制するガス拡散層を備えている燃料電池セル及びその製造方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and suppresses the infiltration of the coating liquid for forming a fine porous layer into the inside of the porous base material layer, and gas diffusion inside the porous base material layer. It is an object of the present invention to provide a fuel cell having a gas diffusion layer that suppresses deterioration of the property and a method for producing the same.
本発明は、以下の手段により上記目的を達成するものである。 The present invention achieves the above object by the following means.
<1>多孔質基材層と微細多孔質層とを備えた燃料電池用ガス拡散層と、セパレータとを備えている燃料電池セルの製造方法であって、以下の工程
(1)前記多孔質基材層の一方の面に、撥水処理用塗工液を塗布すること、
(2)前記撥水処理用塗工液を塗布した前記多孔質基材層を、加熱して乾燥させること、
(3)前記多孔質基材層の、前記撥水処理用塗工液を塗布した面とは反対の面に、微細多孔質層形成用塗工液を塗布すること、
(4)前記微細多孔質層形成用塗工液を塗布した前記多孔質基材層を、加熱して焼成すること、及び
(5)前記多孔質基材層の、前記微細多孔質層形成用塗工液を塗布した面とは反対の面に、凹凸形状を有するセパレータを配置すること
を含み、前記工程(1)において、凹凸形状を有する部材の凸部を、前記多孔質基材層の前記撥水処理用塗工液を塗布する面とは反対側の面と接触させた状態で、前記撥水処理用塗工液の塗布を行い、かつ
前記工程(5)において、前記多孔質基材の、前記凹凸形状を有する部材の凸部を接触させた箇所と対向する箇所に前記セパレータの凸部が接触するように前記セパレータを配置する、燃料電池セルの製造方法。
<1> A method for manufacturing a fuel cell, which includes a gas diffusion layer for a fuel cell having a porous base material layer and a fine porous layer, and a separator. The following steps (1) The porous material. Applying a water-repellent coating liquid to one surface of the base material layer,
(2) The porous base material layer coated with the water-repellent coating liquid is heated and dried.
(3) Applying the coating liquid for forming a fine porous layer to the surface of the porous base material layer opposite to the surface to which the coating liquid for water repellent treatment is applied.
(4) The porous base material layer coated with the coating liquid for forming the fine porous base material is heated and fired, and (5) for forming the fine porous base material of the porous base material layer. Including arranging a separator having an uneven shape on a surface opposite to the surface on which the coating liquid is applied, in the step (1), the convex portion of the member having an uneven shape is formed on the porous base material layer. The water-repellent coating liquid is applied in a state of being in contact with the surface opposite to the surface on which the water-repellent coating liquid is applied, and the porous group is applied in the step (5). A method for manufacturing a fuel cell, wherein the separator is arranged so that the convex portion of the separator comes into contact with a portion of the material that is in contact with the convex portion of the member having the uneven shape.
<2>前記工程(1)において使用する凹凸形状を有する部材が、第1の領域と第2の領域において凹凸の位相が半周期分ずれており、第1の領域が、前記多孔質基材層の面内において、前記セパレータのエア導入部の端部から、エア導入部の端部とエア出口部の端部の間の中間部までの範囲の領域であり、第2の領域が、エア導入部の端部とエア出口部の端部の間の中間部から、エア出口部の端部までの範囲の領域であり、
前記工程(5)において、前記工程(1)において前記多孔質基材層の第2の領域において前記凹凸形状を有する部材の凸部と接触した箇所と対向する箇所に前記セパレータの凸部が接触するように前記セパレータを配置する、
<1>記載の燃料電池セルの製造方法。
<2> The member having the concavo-convex shape used in the step (1) has the concavo-convex phase shifted by half a cycle in the first region and the second region, and the first region is the porous base material. In the plane of the layer, a region ranges from the end of the air introduction portion of the separator to the intermediate portion between the end portion of the air introduction portion and the end portion of the air outlet portion, and the second region is the air. The area from the middle part between the end of the introduction part and the end of the air outlet part to the end part of the air outlet part.
In the step (5), the convex portion of the separator comes into contact with a portion of the second region of the porous base material layer that is in contact with the convex portion of the member having the uneven shape in the step (1). The separator is arranged so as to
The method for manufacturing a fuel cell according to <1>.
<3>多孔質基材層と微細多孔質層とを備えた燃料電池用ガス拡散層と、セパレータとを備えている燃料電池セルであって、前記多孔質基材層の厚み方向における微細多孔質層の厚みが、前記セパレータの凸部が前記多孔質基材層と接触する箇所近傍において、その他の箇所よりも小さい、燃料電池セル。 <3> A fuel cell cell provided with a gas diffusion layer for a fuel cell having a porous base material layer and a fine porous layer and a separator, which is finely porous in the thickness direction of the porous base material layer. A fuel cell in which the thickness of the quality layer is smaller in the vicinity of a portion where the convex portion of the separator comes into contact with the porous base material layer than in other portions.
<4>前記燃料電池セルが第1の領域と第2の領域を有し、
第1の領域が、前記多孔質基材層の面内において、前記セパレータのエア導入部の端部から、エア導入部の端部とエア出口部の端部の間の中間部までの範囲の領域であり、第2の領域が、エア導入部の端部とエア出口部の端部の間の中間部から、エア出口部の端部までの範囲の領域であり、
第1の領域において、前記多孔質基材層の厚み方向における微細多孔質層の厚みが、前記セパレータの凸部が前記多孔質基材層と接触する箇所近傍において、その他の箇所よりも大きく、第2の領域において、前記多孔質基材層の厚み方向における微細多孔質層の厚みが、前記セパレータの凸部が前記多孔質基材層と接触する箇所近傍において、その他の箇所より小さい、<3>に記載の燃料電池セル。
<4> The fuel cell has a first region and a second region.
The first region ranges from the end of the air introduction portion of the separator to the intermediate portion between the end portion of the air introduction portion and the end portion of the air outlet portion in the plane of the porous base material layer. It is a region, and the second region is a region in the range from the intermediate portion between the end portion of the air introduction portion and the end portion of the air outlet portion to the end portion of the air outlet portion.
In the first region, the thickness of the microporous layer in the thickness direction of the porous base material layer is larger in the vicinity of the portion where the convex portion of the separator comes into contact with the porous substrate layer than in the other portions. In the second region, the thickness of the fine porous layer in the thickness direction of the porous substrate layer is smaller than the other locations in the vicinity of the portion where the convex portion of the separator contacts the porous substrate layer. The fuel cell according to 3>.
本発明の燃料電池セルの製造方法によれば、微細多孔質層形成用塗工液の多孔質基材層内部への浸み込みを抑制し、多孔質基材層内部のガス拡散性の低下を抑制することができる燃料電池セルを製造することができる。そして得られる燃料電池セルを用いて燃料電池を構成することにより、この燃料電池の発電性能の低下を抑制することができる。 According to the method for producing a fuel cell of the present invention, the coating liquid for forming a fine porous layer is suppressed from penetrating into the porous substrate layer, and the gas diffusivity inside the porous substrate layer is lowered. It is possible to manufacture a fuel cell that can suppress the above. By configuring the fuel cell using the obtained fuel cell, it is possible to suppress the deterioration of the power generation performance of the fuel cell.
本発明の燃料電池セルの製造方法は、
(1)多孔質基材層の一方の面に、撥水処理用塗工液を塗布すること、
(2)前記撥水処理用塗工液を塗布した前記多孔質基材層を、加熱して乾燥させること、
(3)前記多孔質基材層の、前記撥水処理用塗工液を塗布した面とは反対の面に、微細多孔質層形成用塗工液を塗布すること、
(4)前記微細多孔質層形成用塗工液を塗布した前記多孔質基材層を、加熱して焼成すること、及び
(5)前記多孔質基材層の、前記微細多孔質層形成用塗工液を塗布した面とは反対の面に、凹凸形状を有するセパレータを配置すること
を含み、前記工程(1)において、凹凸形状を有する部材の凸部を、前記多孔質基材層の前記撥水処理用塗工液を塗布する面とは反対側の面と接触させた状態で、前記撥水処理用塗工液の塗布を行い、かつ
前記工程(5)において、前記多孔質基材の、前記凹凸形状を有する部材の凸部を接触させた箇所と対向する箇所に前記セパレータの凸部が接触するように前記セパレータを配置する。
The method for manufacturing a fuel cell of the present invention is
(1) Applying a water-repellent coating liquid to one surface of the porous base material layer,
(2) The porous base material layer coated with the water-repellent coating liquid is heated and dried.
(3) Applying the coating liquid for forming a fine porous layer to the surface of the porous base material layer opposite to the surface to which the coating liquid for water repellent treatment is applied.
(4) The porous base material layer coated with the coating liquid for forming the fine porous base material is heated and fired, and (5) for forming the fine porous base material of the porous base material layer. Including the arrangement of the separator having an uneven shape on the surface opposite to the surface on which the coating liquid is applied, in the step (1), the convex portion of the member having the uneven shape is formed on the porous base material layer. The water-repellent coating liquid is applied in a state of being in contact with the surface opposite to the surface on which the water-repellent coating liquid is applied, and the porous group is applied in the step (5). The separator is arranged so that the convex portion of the separator comes into contact with the portion of the material facing the convex portion of the member having the uneven shape.
また本発明の燃料電池セルは、
多孔質基材層と微細多孔質層とを備えた燃料電池用ガス拡散層と、セパレータとを備えており、前記多孔質基材層の厚み方向における微細多孔質層の厚みが、前記セパレータの凸部が前記多孔質基材層と接触する箇所近傍において、その他の箇所よりも小さい。
Further, the fuel cell of the present invention is
A gas diffusion layer for a fuel cell having a porous base material layer and a fine porous layer and a separator are provided, and the thickness of the fine porous layer in the thickness direction of the porous base material layer is the thickness of the separator. In the vicinity of the portion where the convex portion contacts the porous base material layer, it is smaller than the other portions.
上記したように従来のガス拡散層の製造方法においては、微細多孔質層形成用塗工液の多孔質基材層からの裏抜け量を低減することができるが、多孔質基材層内部への微細多孔質層形成用塗工液の浸み込みを十分に抑制することができず、この多孔質基材層内部に過剰に浸み込んだ微細多孔質層形成用塗工液が、多孔質基材層内部のガス拡散性を阻害させることにより、得られるガス拡散層を組み込んだ燃料電池の発電性能を低下させてしまう。 As described above, in the conventional method for producing a gas diffusion layer, the amount of strike-through of the coating liquid for forming a fine porous layer from the porous substrate layer can be reduced, but the inside of the porous substrate layer can be reduced. It was not possible to sufficiently suppress the infiltration of the coating liquid for forming the fine porous layer, and the coating liquid for forming the fine porous layer that had excessively penetrated into the porous base material layer was porous. By inhibiting the gas diffusivity inside the quality substrate layer, the power generation performance of the fuel cell incorporating the obtained gas diffusing layer is deteriorated.
これに対して本発明の方法によると、凹凸形状を有する部材の凸部を、多孔質基材層の撥水処理用塗工液を塗布する面とは反対側の面と接触させた状態で、多孔質基材層の一方の面への撥水処理用塗工液の塗布を行っている。その結果、撥水処理用塗工液中の撥水剤が、多孔質基材層の所定の箇所に、具体的には、多孔質基材層のうちの、凹凸形状を有する部材の凸部と接触している箇所に対向する箇所周囲に偏在することになり、微細多孔質層形成用塗工液の塗布後に、この多孔質基材層中の、撥水剤が偏在している所定の箇所への微細多孔質層形成用塗工液の浸み込みを特に抑制することができ、多孔質基材層の厚み方向の微細多孔質層の厚みを小さくすることができる。得られたガス拡散層を燃料電池に組み込んだ際に、この多孔質基材層中の撥水剤が偏在する箇所、すなわち微細多孔質層の厚みが小さい箇所を、燃料電池内のセパレータの凸部と接する箇所に位置合わせすることにより、燃料電池における多孔質基材層内の、ガス拡散性の低下、特にガス流路間のガス拡散性の低下を抑制することができる。 On the other hand, according to the method of the present invention, the convex portion of the member having an uneven shape is in contact with the surface of the porous base material layer opposite to the surface to which the water-repellent coating liquid is applied. , A water-repellent coating liquid is applied to one surface of the porous base material layer. As a result, the water-repellent agent in the coating liquid for water-repellent treatment is applied to a predetermined portion of the porous base material layer, specifically, a convex portion of a member having an uneven shape in the porous base material layer. The water repellent is unevenly distributed in the porous base material layer after the application of the coating liquid for forming the fine porous layer. The infiltration of the coating liquid for forming the fine porous layer into the portion can be particularly suppressed, and the thickness of the fine porous layer in the thickness direction of the porous base material layer can be reduced. When the obtained gas diffusion layer is incorporated into the fuel cell, the portion where the water repellent is unevenly distributed in the porous base material layer, that is, the portion where the thickness of the fine porous layer is small, is the convexity of the separator in the fuel cell. By aligning the position in contact with the portion, it is possible to suppress a decrease in gas diffusivity in the porous base material layer in the fuel cell, particularly a decrease in gas diffusivity between gas flow paths.
以下、本発明の実施形態について詳細に説明する。なお、本発明は、以下の実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内で種々変形して実施することができる。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail. The present invention is not limited to the following embodiments, and can be variously modified and implemented within the scope of the gist of the present invention.
<燃料電池の構成>
図1は、本発明の実施形態としての製造方法によって製造された燃料電池セルの概略構成を示す説明図である。図1において、燃料電池セル10は、膜電極接合体3と2つのガス拡散層6と、一対のセパレータ7とを備えている。膜電極接合体3は、電解質膜1と、電解質膜1の両面に設けられた2つの触媒電極層2とを備えている。電解質膜1は、湿潤状態において良好なプロトン伝導性を示す固体高分子薄膜である。電解質膜1は、例えば、ナフィオン(登録商標)などのフッ素系樹脂のイオン交換膜によって構成される。触媒電極層2のそれぞれは、水素と酸素との化学反応を促進する触媒(図示は省略)を有する。触媒電極層2のそれぞれは、触媒を担持する導電性粒子(例えば、白金担持カーボン)と、電解質膜1と同種または類似の固体電解質樹脂と、の分散溶液の乾燥塗膜として形成される。
<Fuel cell configuration>
FIG. 1 is an explanatory diagram showing a schematic configuration of a fuel cell manufactured by the manufacturing method according to the embodiment of the present invention. In FIG. 1, the
ガス拡散層6のそれぞれは、膜電極接合体3の両面に形成されている。ガス拡散層6のそれぞれは、微細多孔質層4と多孔性基材層5を備えており、微細多孔質層4は触媒電極層2と接しており、多孔性基材層5はセパレータ7と接している。単セル10が積層方向に圧縮されることで、ガス拡散層6のそれぞれは、各触媒電極層2に圧着されて膜電極接合体3と一体化している。
Each of the gas diffusion layers 6 is formed on both sides of the membrane electrode assembly 3. Each of the gas diffusion layers 6 includes a fine
ガス拡散層6のそれぞれは、セパレータ7に形成されているガス流路溝8を介して供給された反応ガスを触媒電極層2の全体に行き渡らせる。また、ガス拡散層6のそれぞれは、膜電極接合体3とセパレータ7との間の導電経路として機能する。燃料電池の運転中には、ガス拡散層6に供給された反応ガスは、ガス拡散層6の内部の貫通細孔内を流通し、ガス拡散層6の積層方向に直交する面方向に沿って拡散されながら、触媒電極層2に到達する。
Each of the gas diffusion layers 6 distributes the reaction gas supplied through the gas flow path groove 8 formed in the
膜電極接合体3の触媒電極層2と接する面に設けられた微細多孔質層4は、極微細な多孔質構造が液水膜の形成を阻害することにより、反応ガスの化学反応によって生成された水が反応ガスの流路を閉塞してしまうことを抑制し、その結果、膜電極接合体3と接する面におけるガス拡散性および排水性を確保する。セパレータと接する面に設けられた多孔性基材層5は、導電性多孔体から構成され、前記ガス流路溝8を通じて供給された反応ガスを分散させ、触媒層2に対して均一に供給し、触媒層2における酸化反応により生じた生成水を単セル外部に排出する役割を有する。
The
一対のセパレータ7は、導電性およびガス不透過性を有する板状部材であり、例えば、金属板によって構成される。セパレータ7のそれぞれは、ガス拡散層6のそれぞれの表面に積層して配置されている。セパレータ7のそれぞれには、反応ガスの水素または酸素が流れるガス流路溝8が形成されている。
The pair of
図示及び詳細な説明は省略するが、各単セル10の膜電極接合体3及びガス拡散層6の外側に、反応ガス等の流体の漏洩やセパレータ7同士の短絡を防止するための絶縁性シール部が設けられる。また、単セル10の膜電極接合体3及びガス拡散層6の外側には、単セル10に反応ガスを供給するためのマニホールドが設けられる。
Although illustration and detailed description are omitted, an insulating seal for preventing fluid leakage such as reaction gas and short circuit between
図2に、本発明の燃料電池セルの部分断面図を示す。本発明の燃料電池セルのガス拡散層6においては、多孔質基材層5内には撥水剤23が偏在し、また微細多孔質層4が浸透している。この撥水剤23が偏在してより多く存在する箇所14は、燃料電池セルにおいてセパレータ7のガス流路溝8間のリブ9と接する箇所に対向する箇所に相当する。この箇所に撥水剤23を多く偏在していることにより、図2に示すように、前記多孔質基材層5の厚み方向における微細多孔質層4の厚みが、前記セパレータ7の凸部9が前記多孔質基材5層と接触する箇所近傍において、その他の箇所よりも小さくなっており、矢印に示すような、多孔質基材層5を通過してセパレータ7のガス流路溝8間を移動するガスの移動が妨げられることがなく、ガス透過性の低下を抑制することができる。
FIG. 2 shows a partial cross-sectional view of the fuel cell of the present invention. In the
<燃料電池セルの製造方法>
本発明の燃料電池セルの製造方法は、例えば、図3に示すように、第1の塗工装置20と、第1の加熱装置30と、第2の塗工装置40と、第2の加熱装置50と、を備える製造装置100により実行される。この製造装置100では、ガス拡散層の多孔質基材層の形成に用いられる長尺シート状の多孔質基材層11が、搬送ローラー12によって搬送されて、第1の塗工装置20、第1の加熱装置30、第2の塗工装置40、第2の加熱装置50へ順に送り込まれることにより、各装置に対応する撥水処理用塗工液塗布工程(工程1)、乾燥工程(工程2)、微細多孔質層形成用塗工液塗布工程(工程3)、焼成工程(工程4)が順に実行される。従って、第1の塗工装置20、第1の加熱装置30、第2の塗工装置40、及び第2の加熱装置50は、基材11が搬送される搬送路中に順に配置されている。以下、本発明のガス拡散層の製造方法の各工程について説明する。
<Manufacturing method of fuel cell>
The method for manufacturing a fuel cell of the present invention is, for example, as shown in FIG. 3, a
<撥水処理用塗工液塗布工程(工程1)>
撥水処理用塗工液塗布工程では、多孔質基材層の一方の面に、撥水処理用塗工液を塗布する。そして、凹凸形状を有する部材の凸部を、多孔質基材層の撥水処理用塗工液を塗布する面とは反対側の面と接触させた状態で、この撥水処理用塗工液の塗布を行う。
<Water repellent coating liquid application process (process 1)>
In the water-repellent treatment coating liquid application step, the water-repellent treatment coating liquid is applied to one surface of the porous base material layer. Then, in a state where the convex portion of the member having the uneven shape is in contact with the surface of the porous base material layer opposite to the surface to which the water repellent treatment coating liquid is applied, the water repellent treatment coating liquid is brought into contact with the surface. Is applied.
例えば図3に示すように、撥水処理用塗工液塗布工程に対応する第1の塗工装置20は、ダイ方式のコーターにより構成されていてよい。第1の塗工装置20は、ダイヘッド21を備えていてよい。ダイヘッド21には、撥水処理用塗工液が充填されていてよい。撥水処理用塗工液塗布工程では、多孔質基材層11の一方の面に、ダイヘッド21によって、撥水処理用塗工液が塗布される。塗工目付は、例えば0.1〜1mg/cm2である。
For example, as shown in FIG. 3, the
塗布された撥水処理用塗工液は、その塗布面から多孔質基材層11内へ浸透する。これにより、多孔質基材層11の表面および内部に対して撥水剤を分布させて撥水性を付与する撥水処理を施すことが可能となる。
The applied water-repellent coating liquid permeates into the porous
この撥水処理用塗工液塗布工程の詳細を図4に示す。上記のように、撥水処理用塗工液塗布工程において、多孔質基材層11の一方の面にダイヘッド21から撥水処理用塗工液22が塗布される。ここで、多孔質基材層11は搬送ベルト13と接した状態で第1の塗工装置20に搬送され、搬送ベルト13は、単セルを構成するセパレータ7の形状を模した凹凸形状を有している(すなわち、凹凸形状を有する部材である)。そして、この搬送ベルト13の凸部が、多孔質基材層の撥水処理用塗工液を塗布する面とは反対の面と接触している状態で、撥水処理用塗工液22が塗布される。
The details of the coating liquid coating process for water repellent treatment are shown in FIG. As described above, in the water-repellent treatment coating liquid coating step, the water-repellent
この塗布された撥水処理用塗工液は、多孔質基材層内に浸透するが、図5に示すように、撥水処理用塗工液中の水は、多孔質基材層11内を、多孔質基材層11と搬送ベルト13の凸部との接触部に向かって毛管力によって移動する。その際、撥水処理用塗工液22中の撥水剤23も移動し、多孔質基材層11と搬送ベルト13の凸部との接触部に多く偏在することになる。
The applied water-repellent coating liquid permeates into the porous base material layer, but as shown in FIG. 5, the water in the water-repellent treatment coating liquid penetrates into the porous
ここで、多孔質基材層11としては、燃料電池のガス拡散層の基材に一般的に用いられている導電性および多孔質性を有するシート状材料、例えば、カーボンペーパーやカーボンクロス、カーボン不織布等のカーボン繊維による多孔性シート材料を用いることができる。
Here, the porous
また、撥水処理用塗工液は、撥水剤の分散液である。撥水剤としては、PTFE、PVDF、ポリヘキサフルオロプロピレン、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等のフッ素系の高分子材料や、ポリプロピレン、ポリエチレン等が利用可能である。そして、これらの材料のうち、フッ素系の高分子材料、特に、PTFEが好ましく用いられる。例えば、撥水剤としてPTFEを用い、PTFE(粒径:100〜400nm)のディスパージョンを希釈する(濃度:3〜5質量%)ことにより、撥水処理用塗工液の粘度がずり速度50s-1において1〜100mPa・sとなるように調整することができる。 The coating liquid for water repellent treatment is a dispersion liquid of a water repellent agent. As the water repellent, a fluorine-based polymer material such as PTFE, PVDF, polyhexafluoropropylene, or tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer, polypropylene, polyethylene or the like can be used. Among these materials, a fluorine-based polymer material, particularly PTFE, is preferably used. For example, by using PTFE as a water repellent and diluting the dispersion of PTFE (particle size: 100 to 400 nm) (concentration: 3 to 5% by mass), the viscosity of the water repellent coating liquid becomes a shear rate of 50 s. It can be adjusted to be 1 to 100 mPa · s at -1 .
<乾燥工程(工程2)>
乾燥工程では、撥水処理用塗工液を塗布した多孔質基材層を、加熱して乾燥させる。
<Drying process (process 2)>
In the drying step, the porous base material layer coated with the water-repellent coating liquid is heated and dried.
再び図3を参照して示すように、乾燥工程に対応する第1の加熱装置30は、一般的な加熱炉により構成してよい。乾燥工程では、撥水処理用塗工液22の塗工済み多孔質基材層11が、第1の塗工装置20から順に送り込まれて装置内を順に移動し、外部へ送り出されるまでの間に、塗工済み多孔質基材層11をヒーター31により加熱することにより、撥水処理用塗工液22の乾燥が行われる。これにより、撥水処理用塗工液22に含まれる撥水剤23によって多孔質基材層11に撥水性が付与される。
As shown again with reference to FIG. 3, the
第1の加熱装置30における乾燥のための加熱時間(乾燥時間)は、第1の加熱装置30に送り込まれた塗工済み多孔質基材層11が、外部へ送り出されるまでの時間に相当する。この時間は、塗工済み多孔質基材層11が加熱装置30内を移動する速度および移動する長さで決定される。なお、第1の加熱装置30における加熱温度(乾燥温度)は、撥水処理用塗工液22を乾燥させるための温度であり、好ましくは、この乾燥温度は50℃〜90℃である。また、加熱時間(乾燥時間)は、塗工液の塗布量および加熱温度等に応じて、適切な時間、例えば、1分〜120分程度の時間に設定される。なお、加熱時間の上限にも特に制限はない。
The heating time (drying time) for drying in the
<微細多孔質層形成用塗工液塗布工程(工程3)>
微細多孔質層形成用塗工液塗布工程では、多孔質基材層の撥水処理用塗工液を塗布した面とは反対の面に、微細多孔質層形成用塗工液を塗布する。
<Coating liquid coating process for forming a fine porous layer (process 3)>
In the process of applying the coating liquid for forming the fine porous layer, the coating liquid for forming the fine porous layer is applied to the surface of the porous base material layer opposite to the surface to which the water-repellent coating liquid is applied.
図3に示すように、微細多孔質層形成用塗工液塗布工程に対応する第2の塗工装置40は、例えばダイ方式のコーターにより構成されている。第2の塗工装置40は、ダイヘッド41を備えていてよい。ダイヘッド41には、多孔質基材層11の一方の面に微細多孔質層を形成するための、微細多孔質層形成用塗工液42が充填されていてよい。なお、微細多孔質層は、多孔質基材層11よりも小さな細孔径を有している。塗工目付は、例えば2〜6mg/cm2である。塗布された微細多孔質層形成用塗工液42の塗膜の厚さは、多孔質基材層11がダイヘッド41の下を通過する速度及びダイヘッド41から吐出される微細多孔質層形成用塗工液42の吐出速度によって決定される。
As shown in FIG. 3, the
従来技術の方法のように、多孔質基材層11の、微細多孔質層形成用塗工液42を塗布する面とは反対面を撥水性とする場合、微細多孔質層形成用塗工液42を多孔質基材層11に塗布すると、図6に示すように、この微細多孔質層形成用塗工液42には、(1)ダイヘッド41からの吐出圧力、(2)多孔質基材層11内部への毛管力、(3)微細多孔質層形成用塗工液42の自重、の3つの力が作用し、多孔質基材層11内部への物理的な空間内への過剰な浸み込みが発生する。
When the surface of the porous
この微細多孔質層形成用塗工液42の多孔質基材層11内部への浸み込みは、多孔質基材層11内部の空間の閉塞を引き起こし、ガス透過性の低下を引き起こす。特に、図6に示すように、多孔質基材層11の、セパレータ7のリブ(凸部)9との接触箇所付近においては、矢印に示すような、多孔質基材層11を通過してセパレータ7のガス流路溝8間を移動するガスの移動が妨げられるため、ガス透過性の低下は顕著になる。その結果、多孔質基材層11の、セパレータ7のリブ9との接触箇所付近においてガス供給不足が引き起こされ、発電性能の低下につながる。
The infiltration of the
これに対して、本発明においては、図7に示すように、微細多孔質層形成用塗工液42を塗布する際に、多孔質基材層11内には、撥水処理用塗工液塗布工程によって浸透させた撥水剤23が偏在している。この撥水剤23が偏在してより多く存在する箇所14は、撥水処理用塗工液塗布工程において、多孔質基材層11中の搬送ベルト13の凸部等の、凹凸形状を有する部材の凸部と接していた箇所に対応している。この凹凸形状は、単セルを構成するセパレータ7の形状を模しており、従ってこの撥水剤23が多く偏在する箇所14は、燃料電池セルにおいてセパレータ7のガス流路溝8間のリブ(凸部)9と接する箇所に相当することになる。この箇所に撥水剤23を多く偏在させることにより、図7に示すように、微細多孔質層形成用塗工液42を塗布した際、この微細多孔質層形成用塗工液42は多孔質基材層11の内部にも浸透するが、撥水剤23が多く偏在している箇所14へは、撥水剤23によって、の微細多孔質層形成用塗工液42の浸み込みが抑制される。その結果、図2中の矢印に示すような、多孔質基材層11を通過してセパレータ7のガス流路溝8間を移動するガスの移動が妨げられることがなく、ガス透過性の低下を抑制することができる。
On the other hand, in the present invention, as shown in FIG. 7, when the
ここで、微細多孔質層形成用塗工液42は、主に導電性粒子とバインダーと溶剤とを混合分散させたペースト状あるいはスラリー状のものであってよい。微細多孔質層形成用塗工液42には、必要に応じて分散剤等の添加剤を加えることができるが、コンタミネーションを回避するために金属を含まないことが好ましい。
Here, the
導電性粒子としては、カーボン粒子、特に平均粒径が20〜150nmのカーボン粒子、例えば、導電性に優れ、比表面積が大きいカーボンブラックを用いることができ、特に、導電性が高いアセチレンブラックが好ましい。バインダーとしては、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、ポリヘキサフルオロプロピレン、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等のフッ素系の高分子材料や、ポリプロピレン、ポリエチレン等を用いることができる。そして、これらの材料のうち、フッ素系の高分子材料、特に、PTFEが好ましく用いられる。溶剤としては、特に制限されず、水、メタノール、エタノール等の種々の液剤を用いることができる。分散剤である界面活性剤も、特に制限されず、エステル型やエーテル型、エステル・エーテル型等の種々の非イオン系界面活性剤等の種々の界面活性剤を用いることができる。 As the conductive particles, carbon particles, particularly carbon particles having an average particle diameter of 20 to 150 nm, for example, carbon black having excellent conductivity and a large specific surface area can be used, and acetylene black having high conductivity is particularly preferable. .. As the binder, fluorine-based polymer materials such as polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylidene fluoride (PVDF), polyhexafluoropropylene, and tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer, polypropylene, polyethylene, and the like are used. be able to. Among these materials, a fluorine-based polymer material, particularly PTFE, is preferably used. The solvent is not particularly limited, and various liquid agents such as water, methanol, and ethanol can be used. The surfactant as a dispersant is also not particularly limited, and various surfactants such as various nonionic surfactants such as ester type, ether type and ester ether type can be used.
微細多孔質層形成用塗工液42の組成は、例えば、導電性粒子とバインダーと分散剤の全固形分を100質量%として、導電性粒子が70〜90質量%、バインダーが15〜25質量%、分散剤が5〜15質量%となるように調整する。また、微細多孔質層形成用塗工液42の物性は、固形分の割合が15〜25質量%で、粘度がずり速度50s-1において500〜2500mPa・s(50/s)で、貯蔵弾性率が500〜5500Paとなるように設定してよい。
The composition of the
微細多孔質層形成用塗工液42が塗布済みの多孔質基材層11は、第2の加熱装置50に搬送される。
The porous
<焼成工程(工程4)>
焼成工程では、微細多孔質層形成用塗工液を塗布した多孔質基材層を加熱して焼成する。
<Baking step (step 4)>
In the firing step, the porous base material layer coated with the coating liquid for forming a fine porous layer is heated and fired.
再び図3を参照して示すように、焼成工程に対応する第2の加熱装置50は、一般的な加熱炉により構成してよい。焼成工程では、微細多孔質層形成用塗工液42の塗工済み多孔性基材層11が、第2の塗工装置40から順に送り込まれて装置内を順に移動し、外部へ送り出されるまでの間に、塗工済み基材11をヒーター51により加熱することにより、微細多孔質層形成用塗工液42による塗膜の焼成処理を実行する。これにより、微細多孔質層形成用塗工液42の塗膜が微細多孔質層として多孔性基材層11上に定着され、多孔性基材層と微細多孔質層とが積層された長尺シート状のガス拡散層が形成される。
As shown again with reference to FIG. 3, the
加熱装置50における焼成のための加熱時間(焼成時間)は、焼成装置50に送り込まれた塗工済み多孔性基材層11が、外部へ送り出されるまでの時間に相当する。この時間は、塗工済み多孔性基材層11が加熱装置50内を移動する速度および移動する長さで決定される。なお、加熱装置50における加熱温度(焼成温度)は、微細多孔質層形成用塗工液42中の導電性粒子とバインダーとを熱融着するための温度であり、好ましくは250℃以上、より好ましくは400℃以上の温度に設定される。なお、加熱温度の上限に特に制限はない。また、加熱時間(焼成時間)は、微細多孔質層形成用塗工液の塗工量および加熱温度等に応じて、適切な時間、例えば、1分〜120分程度の時間に設定される。なお、加熱時間の上限にも特に制限はない。
The heating time (firing time) for firing in the
焼成工程において製造された、多孔性基材層と微細多孔質層とが積層された長尺シート状のガス拡散層は、図示しない一般的な裁断機により、所望の形状に裁断することにより、所望形状のガス拡散層が形成される。 The long sheet-like gas diffusion layer in which the porous base material layer and the fine porous layer are laminated, which is produced in the firing step, is cut into a desired shape by a general cutting machine (not shown). A gas diffusion layer having a desired shape is formed.
<セパレータ配置工程(工程5)>
セパレータ配置工程では、工程4において得られたガス拡散層にセパレータを配置する。
<Separator placement process (process 5)>
In the separator placement step, the separator is placed on the gas diffusion layer obtained in
図2に示すように、セパレータ7は、導電性およびガス不透過性を有する板状部材であり、例えば、金属板によって構成される。セパレータ7はその断面において凹凸形状を有しており、凹部は反応ガスの水素または酸素が流れるガス流路溝8に対応し、凸部は多孔質基材層5と接するリブ9に対応する。そしてセパレータ7は、多孔質基材5の、凹凸形状を有する部材の凸部を接触させた箇所14と対向する箇所にセパレータの凸部9が接触するように配置されている。
As shown in FIG. 2, the
このようにセパレータ7を配置することにより、多孔質基材層5の厚み方向における微細多孔質層4の厚みが、セパレータ7の凸部9が多孔質基材5層と接触する箇所近傍において、その他の箇所よりも小さくなっているため、矢印に示すような、多孔質基材層5を通過してセパレータ7のガス流路溝8間を移動するガスの移動が妨げられることがなく、ガス透過性の低下を抑制することができる。
By arranging the
本発明においては、乾燥工程の後、微細多孔質層形成用塗工液塗布工程の前に、プレス装置60においてプレス工程を行うことが好ましい。このプレス工程においては、例えば図8に示すように、乾燥工程の乾燥装置30において乾燥された多孔性基材層11が、搬送ベルト13と接した状態でプレス装置60に送り込まれ、所定の位置において2枚のプレス板61によりプレスされる。この際、搬送ベルト13には、所定の位置に位置決め用の突起15が設けられており、プレスによって多孔性基材層の所定の位置に凹部を形成することができる。
In the present invention, it is preferable to perform the pressing step in the pressing apparatus 60 after the drying step and before the coating liquid coating step for forming the fine porous layer. In this pressing step, for example, as shown in FIG. 8, the porous
上記のように、撥水処理用塗工液塗布工程において、多孔性基材層11は搬送ベルト13と接した状態で撥水処理用塗工液が塗布され、その結果、多孔性基材層11の、搬送ベルト13の凸部との接触部に撥水剤23が多く偏在することになる。この搬送ベルト13の凹凸形状は、セパレータのガス流路溝8を構成する凹凸形状を模したものであり、多孔性基材層11の、搬送ベルト13の凸部との接触部、すなわち撥水剤が多く偏在している箇所14に対向する箇所に、セパレータのガス流路溝8を構成するリブの凸部9を配置させるようにすることが必要である。
As described above, in the water repellent treatment coating liquid application step, the water repellent treatment coating liquid is applied to the porous
上記のように、プレス工程において多孔性基材層の所定の位置に凹部を形成することにより、その後に燃料電池セルを構成する段階において、この凹部を目印にして、セパレータとの正確な位置決めが可能となる。 As described above, by forming a recess at a predetermined position on the porous base material layer in the pressing process, accurate positioning with the separator can be performed by using this recess as a mark in the subsequent stage of forming the fuel cell. It will be possible.
ところで、燃料電池セルにおいては、図9に示すように、一方のマニホールド91に燃料剤ガスもしくは酸化剤ガスが導入され、このガスはガス流路8を通過し、マニホールド92から排出される。
By the way, in the fuel cell, as shown in FIG. 9, a fuel agent gas or an oxidant gas is introduced into one of the
マニホールド91にガス、例えばエアが導入されると、導入されたエアはガス拡散層を拡散していく。本発明の燃料電池セルにおいては、図2に示すように、ガス拡散層6を構成する多孔質基材層5内に撥水剤23が偏在し、また微細多孔質層4が浸透している。この撥水剤23が偏在してより多く存在する箇所14は、燃料電池セルにおいてセパレータ7のガス流路溝8間のリブ9と接する箇所に対向する箇所に相当する。この箇所に撥水剤23を多く偏在していることにより、前記多孔質基材層5の厚み方向における微細多孔質層4の厚みが、前記セパレータ7の凸部9が前記多孔質基材5層と接触する箇所近傍において、その他の箇所よりも小さくなっており、矢印に示すような、多孔質基材層5を通過してセパレータ7のガス流路溝8間を移動するガスの移動が妨げられることがなく、ガス拡散性が向上している。
When gas, for example, air is introduced into the manifold 91, the introduced air diffuses in the gas diffusion layer. In the fuel cell of the present invention, as shown in FIG. 2, the
しかしながら、このガス拡散性が高いと、特にガス流路の入り口付近の領域、具体的には、多孔質基材層の面内において、セパレータのエア導入部であるマニホールド91側の端部から、エア導入部の端部とエア出口部であるマニホールド92側の端部の間の中間部までの範囲の領域において、燃料電池セルの性能が低下することがあることがわかった。 However, when this gas diffusivity is high, particularly in the region near the inlet of the gas flow path, specifically, in the plane of the porous base material layer, from the end portion on the manifold 91 side, which is the air introduction portion of the separator, It has been found that the performance of the fuel cell may deteriorate in the region up to the intermediate portion between the end portion of the air introduction portion and the end portion on the manifold 92 side which is the air outlet portion.
具体的には、多孔質基材の所定の箇所への微細多孔質層形成用塗工液の浸み込みを抑制した本発明の燃料電池セルと、多孔質基材への微細多孔質層形成用塗工液の浸み込みを抑制しない従来の燃料電池セルについて、図10に示すような、エア導入部からの距離に対する発電性能の関係が予想される。 Specifically, the fuel cell of the present invention, which suppresses the infiltration of the coating liquid for forming a fine porous layer into a predetermined portion of the porous base material, and the formation of the fine porous layer on the porous base material. For a conventional fuel cell that does not suppress the infiltration of the coating liquid, the relationship of power generation performance with respect to the distance from the air introduction portion is expected as shown in FIG.
すなわち、セパレータのエア導入部の端部から、エア導入部の端部とエア出口部の端部の間の中間部までの範囲の領域においては、多孔質基材の所定の箇所への微細多孔質層形成用塗工液の浸み込みを抑制したガス拡散層を用いた場合、多孔質基材への微細多孔質層形成用塗工液の浸み込みを抑制しないガス拡散層を用いた場合と比較して発電性能が低下し、一方、エア導入部からの距離が遠くなるにつれて、エア導入部の端部とエア出口部の端部の間の中間部から、エア出口部の端部までの範囲の領域においては、多孔質基材への微細多孔質層形成用塗工液の浸み込みを抑制しないガス拡散層を用いた場合、多孔質基材の所定の箇所への微細多孔質層形成用塗工液の浸み込みを抑制したガス拡散層を用いた場合と比較して発電性能が低下することが予想される。 That is, in the region from the end of the air introduction portion of the separator to the intermediate portion between the end portion of the air introduction portion and the end portion of the air outlet portion, the porous substrate is microporous to a predetermined portion. When a gas diffusion layer that suppresses the penetration of the coating liquid for forming a layer is used, a gas diffusion layer that does not suppress the penetration of the coating liquid for forming a fine porous layer into the porous substrate was used. The power generation performance is lower than in the case, while as the distance from the air introduction part increases, from the middle part between the end part of the air introduction part and the end part of the air outlet part, the end part of the air outlet part. In the range up to, when a gas diffusion layer that does not suppress the infiltration of the coating liquid for forming the microporous layer into the porous substrate is used, the porous substrate is microporous to a predetermined location. It is expected that the power generation performance will be lower than when a gas diffusion layer that suppresses the penetration of the coating liquid for forming the layer is used.
そこで、多孔質基材の所定の箇所への微細多孔質層形成用塗工液の浸み込みを抑制した本発明の燃料電池セルと、多孔質基材への微細多孔質層形成用塗工液の浸み込みを抑制しない従来の燃料電池セルにおいて発電を行った際の、電解質膜の含水率を予測した。すると、図11に示すような、エア導入部からの距離に対する電解質膜の含水率の関係が予測される。 Therefore, the fuel cell of the present invention, which suppresses the infiltration of the coating liquid for forming a fine porous layer into a predetermined portion of the porous base material, and the coating for forming a fine porous layer on the porous base material The water content of the electrolyte membrane was predicted when power was generated in a conventional fuel cell that does not suppress the infiltration of liquid. Then, as shown in FIG. 11, the relationship of the water content of the electrolyte membrane with respect to the distance from the air introduction portion is predicted.
すなわち、セパレータのエア導入部の端部から、エア導入部の端部とエア出口部の端部の間の中間部までの範囲の領域においては、多孔質基材の所定の箇所への微細多孔質層形成用塗工液の浸み込みを抑制したガス拡散層を用いた場合、多孔質基材への微細多孔質層形成用塗工液の浸み込みを抑制しないガス拡散層を用いた場合と比較して電解質膜の含水率が低下した。一方、エア導入部からの距離が遠くなるにつれて、エア導入部の端部とエア出口部の端部の間の中間部から、エア出口部の端部までの範囲の領域においては、多孔質基材への微細多孔質層形成用塗工液の浸み込みを抑制しないガス拡散層を用いた場合と、多孔質基材の所定の箇所への微細多孔質層形成用塗工液の浸み込みを抑制したガス拡散層を用いた場合のいずれにおいても電解質膜の含水率の低下は見られないことが予測された。 That is, in the region from the end of the air introduction portion of the separator to the intermediate portion between the end portion of the air introduction portion and the end portion of the air outlet portion, the porous substrate is microporous to a predetermined portion. When a gas diffusion layer that suppresses the infiltration of the coating liquid for forming the quality layer was used, a gas diffusion layer that did not suppress the penetration of the coating liquid for forming the fine porous layer into the porous substrate was used. The water content of the electrolyte membrane decreased as compared with the case. On the other hand, as the distance from the air introduction portion increases, the porous group is formed in the region from the intermediate portion between the end portion of the air introduction portion and the end portion of the air outlet portion to the end portion of the air outlet portion. When a gas diffusion layer that does not suppress the infiltration of the coating liquid for forming the fine porous layer into the material is used, and when the coating liquid for forming the fine porous layer is infiltrated into a predetermined portion of the porous base material. It was predicted that no decrease in the water content of the electrolyte membrane was observed when the gas diffusion layer with suppressed pouring was used.
以上の結果から、セパレータのエア導入部の端部から、エア導入部の端部とエア出口部の端部の間の中間部までの範囲の領域においては、ガス拡散性が高すぎるために電解質膜が乾燥し、プロトン伝導性が低下するため、結果として発電性能が低下すると考えられる。 From the above results, in the region from the end of the air introduction portion of the separator to the intermediate portion between the end of the air introduction portion and the end of the air outlet portion, the gas diffusivity is too high and the electrolyte It is considered that the film dries and the proton conductivity decreases, resulting in a decrease in power generation performance.
従って、本発明の他の態様においては、多孔質基材層の一方の面に撥水処理用塗工液を塗布する工程において使用する凹凸形状を有する部材として、第1の領域と第2の領域において凹凸の位相が半周期分ずれている部材を用いる。ここで、第1の領域は、多孔質基材層の面内において、セパレータのエア導入部の端部から、エア導入部の端部とエア出口部の端部の間の中間部までの範囲の領域であり、第2の領域は、エア導入部の端部とエア出口部の端部の間の中間部から、エア出口部の端部までの範囲の領域である。具体的には、このような凹凸形状を有する部材は、図12及び図13に示すように、凹凸形状を有する部材13の左側の領域である第1の領域における溝(凹部)16とリブ(凸部)17と、凹凸形状を有する部材13の左側の領域である第2の領域における溝(凹部)16とリブ(凸部)17は、エア導入部の端部とエア出口部の端部の間の中間部において凹凸の位相が半周期分ずれている。
Therefore, in another aspect of the present invention, as a member having a concavo-convex shape used in the step of applying the water-repellent coating liquid to one surface of the porous base material layer, the first region and the second A member whose unevenness is out of phase by half a cycle is used in the region. Here, the first region is a range from the end of the air introduction portion of the separator to the intermediate portion between the end of the air introduction portion and the end of the air outlet portion in the plane of the porous base material layer. The second region is a region in the range from the intermediate portion between the end portion of the air introduction portion and the end portion of the air outlet portion to the end portion of the air outlet portion. Specifically, as shown in FIGS. 12 and 13, the member having such an uneven shape includes a groove (recess) 16 and a rib (recessed portion) 16 in a first region which is a region on the left side of the
工程(1)においては、凹凸形状を有する部材の凸部を多孔質基材層と接触させた状態で撥水処理用塗工液を塗布することにより、多孔質基材層の、この凸部と接触させた箇所と対向する箇所に撥水剤を偏在させている。従って、第1の領域と第2の領域において凹凸の位相が半周期分ずれている部材を用いることにより、第1の領域と第2の領域において、撥水剤が偏在する箇所も半周期分ずれることになる。 In the step (1), the convex portion of the porous base material layer is applied by applying the water-repellent treatment coating liquid in a state where the convex portion of the member having the uneven shape is in contact with the porous base material layer. The water repellent is unevenly distributed in the place facing the place in contact with. Therefore, by using a member whose unevenness is out of phase by half a cycle in the first region and the second region, the portion where the water repellent is unevenly distributed in the first region and the second region is also half a cycle. It will shift.
こうして撥水剤が偏在する箇所を半周期分ずらした多孔質膜に微細多孔質膜形成用塗工液を塗布すると、撥水剤が偏在する箇所においては微細多孔質膜形成用塗工液の浸み込みが抑制され、微細多孔質膜の厚みは小さくなる。ところが、第1の領域と第2の領域においては撥水剤が偏在する箇所が半周期分ずれているため、微細多孔質膜の厚みが小さい箇所も、第1の領域と第2の領域において半周期分ずれることになる。 When the coating liquid for forming a fine porous film is applied to the porous film in which the portion where the water repellent is unevenly distributed is shifted by half a cycle, the coating liquid for forming the fine porous film is applied to the portion where the water repellent is unevenly distributed. Penetration is suppressed and the thickness of the fine porous membrane is reduced. However, in the first region and the second region, the locations where the water repellent is unevenly distributed are deviated by half a cycle, so that the locations where the fine porous membrane is thin are also in the first region and the second region. It will be off by half a cycle.
こうして得られたガス拡散層の第2の領域において前記凹凸形状を有する部材の凸部と接触した箇所と対向する箇所にセパレータの凸部が接触するようにセパレータを配置することにより、得られた燃料電池セルでは、第2の領域においては、図2に示すように、撥水剤23が偏在してより多く存在する箇所14が、燃料電池セルにおいてセパレータ7のガス流路溝8間のリブ9と接する箇所に対向する箇所に相当し、多孔質基材層5の厚み方向における微細多孔質層4の厚みが、セパレータ7の凸部9が多孔質基材5層と接触する箇所近傍において、その他の箇所よりも小さくなっており、矢印に示すような、多孔質基材層5を通過してセパレータ7のガス流路溝8間を移動するガスの移動が妨げられることがなく、ガス透過性の低下を抑制することができる。
It was obtained by arranging the separator in the second region of the gas diffusion layer thus obtained so that the convex portion of the separator contacts the portion facing the convex portion of the member having the uneven shape. In the fuel cell, in the second region, as shown in FIG. 2, the
一方、第1の領域においては、図14に示すように、撥水剤23が偏在してより多く存在する箇所14が、燃料電池セルにおいてセパレータ7のガス流路溝8に対向する箇所に相当し、多孔質基材層5の厚み方向における微細多孔質層4の厚みが、セパレータ7の凸部9が多孔質基材5層と接触する箇所近傍において、その他の箇所よりも厚くなっており、多孔質基材層5を通過してセパレータ7のガス流路溝8間を移動するガスの移動が一部妨げられ、ガス拡散性を抑制することによって、電解質膜の乾燥を抑制することができる。
On the other hand, in the first region, as shown in FIG. 14, the
1 固体高分子電解質膜
2 触媒電極層
3 膜電極接合体
4 微細多孔質層
5 多孔質基材層
6 ガス拡散層
7 セパレータ
8 ガス流路溝
10 燃料電池セル
11 多孔質基材層
12 搬送ローラー
13 搬送ベルト(又は凹凸部材)
15 突起
16 凸部
17 凹部
20 撥水処理用塗工装置
21 ダイヘッド
22 撥水処理用塗工液
23 撥水剤
30 第1の加熱装置
31 ヒーター
40 第2の塗工装置
41 ダイヘッド
42 微細多孔質層形成用塗工液
50 第2の加熱装置
51 ヒーター
60 プレス装置
61 プレス板
1 Solid
15
Claims (4)
(1)前記多孔質基材層の一方の面に、撥水処理用塗工液を塗布すること、
(2)前記撥水処理用塗工液を塗布した前記多孔質基材層を、加熱して乾燥させること、
(3)前記多孔質基材層の、前記撥水処理用塗工液を塗布した面とは反対の面に、微細多孔質層形成用塗工液を塗布すること、
(4)前記微細多孔質層形成用塗工液を塗布した前記多孔質基材層を、加熱して焼成すること、及び
(5)前記多孔質基材層の、前記微細多孔質層形成用塗工液を塗布した面とは反対の面に、凹凸形状を有するセパレータを配置すること
を含み、前記工程(1)において、凹凸形状を有する部材の凸部を、前記多孔質基材層の前記撥水処理用塗工液を塗布する面とは反対側の面と接触させた状態で、前記撥水処理用塗工液の塗布を行い、かつ
前記工程(5)において、前記多孔質基材の、前記凹凸形状を有する部材の凸部を接触させた箇所と対向する箇所に前記セパレータの凸部が接触するように前記セパレータを配置する、燃料電池セルの製造方法。 A method for manufacturing a fuel cell cell including a gas diffusion layer for a fuel cell having a porous base material layer and a fine porous layer and a separator. The following steps (1) The porous base material layer Applying a water-repellent coating solution to one surface,
(2) The porous base material layer coated with the water-repellent coating liquid is heated and dried.
(3) Applying the coating liquid for forming a fine porous layer to the surface of the porous base material layer opposite to the surface to which the coating liquid for water repellent treatment is applied.
(4) The porous base material layer coated with the coating liquid for forming the fine porous base material is heated and fired, and (5) for forming the fine porous base material of the porous base material layer. Including arranging a separator having an uneven shape on a surface opposite to the surface on which the coating liquid is applied, in the step (1), the convex portion of the member having an uneven shape is formed on the porous base material layer. The water-repellent coating liquid is applied in a state of being in contact with the surface opposite to the surface on which the water-repellent coating liquid is applied, and the porous group is applied in the step (5). A method for manufacturing a fuel cell, wherein the separator is arranged so that the convex portion of the separator comes into contact with a portion of the material that is in contact with the convex portion of the member having the uneven shape.
前記工程(5)において、前記工程(1)において前記多孔質基材層の第2の領域において前記凹凸形状を有する部材の凸部と接触した箇所と対向する箇所に前記セパレータの凸部が接触するように前記セパレータを配置する、
請求項1に記載の燃料電池セルの製造方法。 The member having the concave-convex shape used in the step (1) is out of phase with the unevenness by half a cycle in the first region and the second region, and the first region is the surface of the porous base material layer. Within, the region ranges from the end of the air introduction portion of the separator to the intermediate portion between the end of the air introduction portion and the end of the air outlet portion, and the second region is the air introduction portion of the air introduction portion. The area from the middle part between the end part and the end part of the air outlet part to the end part of the air outlet part.
In the step (5), the convex portion of the separator comes into contact with a portion of the second region of the porous base material layer that is in contact with the convex portion of the member having the uneven shape in the step (1). The separator is arranged so as to
The method for manufacturing a fuel cell according to claim 1.
第1の領域が、前記多孔質基材層の面内において、前記セパレータのエア導入部の端部から、エア導入部の端部とエア出口部の端部の間の中間部までの範囲の領域であり、第2の領域が、エア導入部の端部とエア出口部の端部の間の中間部から、エア出口部の端部までの範囲の領域であり、
第1の領域において、前記多孔質基材層の厚み方向における微細多孔質層の厚みが、前記セパレータの凸部が前記多孔質基材層と接触する箇所近傍において、その他の箇所よりも大きく、第2の領域において、前記多孔質基材層の厚み方向における微細多孔質層の厚みが、前記セパレータの凸部が前記多孔質基材層と接触する箇所近傍において、その他の箇所より小さい、請求項3に記載の燃料電池セル。 The fuel cell has a first region and a second region.
The first region ranges from the end of the air introduction portion of the separator to the intermediate portion between the end portion of the air introduction portion and the end portion of the air outlet portion in the plane of the porous base material layer. It is a region, and the second region is a region in the range from the intermediate portion between the end portion of the air introduction portion and the end portion of the air outlet portion to the end portion of the air outlet portion.
In the first region, the thickness of the microporous layer in the thickness direction of the porous base material layer is larger in the vicinity of the portion where the convex portion of the separator comes into contact with the porous substrate layer than in the other portions. In the second region, the thickness of the microporous layer in the thickness direction of the porous base material layer is smaller than the other parts in the vicinity of the portion where the convex portion of the separator contacts the porous base material layer. Item 3. The fuel cell according to Item 3.
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