JP2020155386A - Fuel battery cell - Google Patents

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Abstract

To provide a fuel cell for achieving both flooding resistance and reduction of contact resistance between a separator and a gas diffusion layer.SOLUTION: The fuel battery cell is composed of a proton conductive polymer electrolyte membrane, a pair of electrodes sandwiching the polymer electrolyte membrane, and a pair of separators sandwiching the electrodes. The electrodes include a catalyst layer on a side where the electrodes are in contact with the polymer electrolyte membrane and a gas diffusion layer on a side where the electrodes are in contact with the separators. A ratio of an amount of fluorine on a surface in contact with the catalyst layer to an amount of fluorine on a surface of the gas diffusion layer on the side in contact with the separators is 1.5 or more and 11 or less.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、燃料電池セルに関する。 The present invention relates to a fuel cell.

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、電解質膜としてプロトン伝導性高分子電解質膜を用いた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 type fuel cell using the proton conductive polymer electrolyte membrane as the electrolyte membrane has advantages such as easy miniaturization and operation at a low temperature, and is particularly portable. It is attracting attention as a power source for mobile bodies.

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。
→ 2H + 2e ・・・(1)
In the polymer electrolyte fuel cell, the reaction of the following equation (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 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 + 1/2O + 2e → HO ・・・(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。
+ 1/2O → HO ・・・(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 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マイクロポーラス層(以後MPLと呼ぶ)が積層された構造を有するものが知られている。このMPLを設けることにより、MPL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。また、MPLを形成する前に多孔質基材層に撥水性の物質を浸み込ませ、撥水加工を施すこともある(特許文献1〜3参照)。 As a gas diffusion layer for suppressing this flooding, a structure in which a microporous layer (hereinafter referred to as MPL) having a pore diameter smaller than that of the porous base material layer is laminated on a porous base material layer having a porous structure. Those with are known. It is said that by providing this MPL, the ultrafine porous structure of the MPL inhibits the formation of a liquid water film and improves the drainage property of the gas diffusion layer. Further, before forming the MPL, a water-repellent substance may be impregnated into the porous base material layer to perform a water-repellent treatment (see Patent Documents 1 to 3).

特開2001−085019号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2001-085019 国際公開第2015/125750号International Publication No. 2015/12575 国際公開第03/034519号International Publication No. 03/034519

このようなMPLは、炭素系フィラーとフッ素樹脂等の撥水材を含むMPL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MPL形成用塗工液中の撥水材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。この撥水材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MPLを形成した面とは反対側の面も撥水性となるが、燃料電池セルを組み立てた際に、セパレータとの界面の電気抵抗、熱抵抗が増加してしまい、結果として燃料電池セルの電圧が低下し、出力が低下してしまう。また、MPLを形成する前に多孔質基材層に撥水性の物質を浸み込ませた場合においても、同様の問題が生ずる。 Such MPL is formed by applying an MPL forming coating solution containing a carbon-based filler and a water-repellent material such as fluororesin to a porous base material layer and firing the MPL. The water-repellent material in the coating liquid for forming may permeate into the porous base material layer, and a phenomenon of strike-through that penetrates the porous base material layer may occur. When the water-repellent material penetrates into the porous base material layer and strike-through occurs, the surface of the gas diffusion layer opposite to the surface on which the MPL is formed also becomes water-repellent, but the fuel cell was assembled. At that time, the electric resistance and the thermal resistance at the interface with the separator increase, and as a result, the voltage of the fuel cell decreases and the output decreases. Further, the same problem occurs when a water-repellent substance is impregnated into the porous base material layer before forming the MPL.

本発明は、上記実情を鑑みてなされたものであり、MPLを形成したガス拡散層の、セパレータとの界面における接触抵抗を低減し、耐フラッディング性とセパレータ/ガス拡散層間の接触抵抗低減を両立する燃料電池セルを提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and reduces the contact resistance of the gas diffusion layer having MPL formed at the interface with the separator to achieve both flood resistance and reduction of contact resistance between the separator / gas diffusion layer. It is an object of the present invention to provide a fuel cell.

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.

プロトン伝導性高分子電解質膜、前記高分子電解質膜を挟持する一対の電極、及び前記電極を挟持する一対のセパレータから構成される燃料電池セルであって、前記電極が、前記高分子電解質膜と接する側に触媒層を、前記セパレータと接する側にガス拡散層を具備し、前記ガス拡散層の、セパレータと接する側の表面におけるフッ素量に対する触媒層と接する側の表面におけるフッ素量の比が、1.5以上11以下である、燃料電池セル。 A fuel cell composed of a proton-conducting polymer electrolyte membrane, a pair of electrodes sandwiching the polymer electrolyte membrane, and a pair of separators sandwiching the electrodes, wherein the electrodes are the polymer electrolyte membrane. A catalyst layer is provided on the contacting side, and a gas diffusion layer is provided on the side in contact with the separator. A fuel cell that is 1.5 or more and 11 or less.

本発明の燃料電池セルによれば、ガス拡散層の、セパレータと接する側の表面におけるフッ素量に対する触媒層と接する側の表面におけるフッ素量の比を1.5以上11以下とすることにより、触媒層と接する表面はフッ素の割合が高いため撥水性が高く、一方、セパレータと接する表面はフッ素の割合が低く、すなわち炭素の割合が高いため電子抵抗が低くなる。そのため、このガス拡散層を用いた燃料電池セルにおいては、耐フラッディング性とセパレータ/ガス拡散層間の接触抵抗低減を両立することができる。 According to the fuel cell of the present invention, the ratio of the amount of fluorine on the surface of the gas diffusion layer on the surface in contact with the separator to the amount of fluorine on the surface in contact with the separator is 1.5 or more and 11 or less. The surface in contact with the layer has a high proportion of fluorine and thus has high water repellency, while the surface in contact with the separator has a low proportion of fluorine, that is, a high proportion of carbon and thus has a low electron resistance. Therefore, in the fuel cell using this gas diffusion layer, both flooding resistance and reduction of contact resistance between the separator / gas diffusion layer can be achieved.

燃料電池セルの構成を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of a fuel cell. ガス拡散層の構成を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of a gas diffusion layer. 実施例及び比較例における、ガス拡散層の各部位におけるフッ素量(%)の測定結果を示すグラフである。It is a graph which shows the measurement result of the amount of fluorine (%) in each part of the gas diffusion layer in an Example and a comparative example. 実施例及び比較例において製造したガス拡散層を組み込んだ燃料電池セルの発電性能の測定結果を示すグラフである。It is a graph which shows the measurement result of the power generation performance of the fuel cell which incorporated the gas diffusion layer manufactured in the Example and the comparative example.

本発明の燃料電池セルは、プロトン伝導性高分子電解質膜、前記高分子電解質膜を挟持する一対の電極、及び前記電極を挟持する一対のセパレータから構成され、前記電極が、前記高分子電解質膜と接する側に触媒層を、前記セパレータと接する側にガス拡散層を具備し、前記ガス拡散層の、セパレータと接する側の表面におけるフッ素量に対する触媒層と接する側の表面におけるフッ素量の比が、1.5以上11以下である。 The fuel cell of the present invention is composed of a proton conductive polymer electrolyte membrane, a pair of electrodes sandwiching the polymer electrolyte membrane, and a pair of separators sandwiching the electrodes, and the electrodes are the polymer electrolyte membrane. A catalyst layer is provided on the side in contact with the separator, and a gas diffusion layer is provided on the side in contact with the separator. , 1.5 or more and 11 or less.

上記したように従来のMPLを設けたガス拡散層においては、MPL形成用塗工液中の撥水材が多孔質基材層中に浸透する。この撥水材として一般に用いられているフッ素樹脂は絶縁性であり、撥水材が浸透することにより、ガス拡散層のセパレータと接する面が絶縁性となってしまい、セパレータとの界面における電気伝導性、熱伝導性が低下してしまう。 As described above, in the conventional gas diffusion layer provided with MPL, the water-repellent material in the MPL forming coating liquid permeates into the porous base material layer. Fluororesin, which is generally used as this water-repellent material, has an insulating property, and when the water-repellent material permeates, the surface of the gas diffusion layer in contact with the separator becomes insulating, and electrical conduction at the interface with the separator. The property and thermal conductivity are reduced.

これに対して本発明によると、MPLを形成したガス拡散層の、セパレータと接する側の表面におけるフッ素量に対する触媒層と接する側の表面におけるフッ素量の比が1.5以上11以下としており、ガス拡散層の触媒層と接する側の表面のフッ素量を高くすることにより耐フラッディング性を確立しつつ、ガス拡散層のセパレータと接する側の表面のフッ素量を低くすることにより、ガス拡散層とセパレータの界面における接触抵抗を低減し、電気伝導性の低下を抑制することができる。 On the other hand, according to the present invention, the ratio of the amount of fluorine on the surface of the gas diffusion layer forming the MPL to the amount of fluorine on the surface in contact with the separator is 1.5 or more and 11 or less. While establishing flood resistance by increasing the amount of fluorine on the surface of the gas diffusion layer in contact with the catalyst layer, by decreasing the amount of fluorine on the surface of the gas diffusion layer in contact with the separator, the gas diffusion layer and the gas diffusion layer The contact resistance at the interface of the separator can be reduced, and the decrease in electrical conductivity can be suppressed.

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、プロトン伝導性高分子電解質膜1と、高分子電解質膜1を挟持する一対の電極3と、電極3を挟持する一対のセパレータ7から構成される。電極3は、高分子電解質膜1と接する側に触媒層2を、セパレータ7と接する側にガス拡散層6を具備している。
<Fuel cell configuration>
FIG. 1 is an explanatory diagram showing a schematic configuration of a fuel cell as an embodiment of the present invention. In FIG. 1, the fuel cell 10 is composed of a proton conductive polymer electrolyte membrane 1, a pair of electrodes 3 sandwiching the polymer electrolyte membrane 1, and a pair of separators 7 sandwiching the electrodes 3. The electrode 3 is provided with a catalyst layer 2 on the side in contact with the polymer electrolyte membrane 1 and a gas diffusion layer 6 on the side in contact with the separator 7.

高分子電解質膜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り、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、高分子電解質膜1と同種または類似の電解質樹脂と、の分散溶液の乾燥塗膜として形成される。 The polymer electrolyte membrane 1 is a solid polymer thin film that exhibits good proton conductivity in a wet state, and is composed of, for example, an ion exchange membrane of a fluororesin such as Nafion (registered trademark). Each of the catalyst layers 2 has a catalyst (not shown) that promotes a chemical reaction between hydrogen and oxygen. Each of the catalyst layers 2 is formed as a dry coating film of a dispersion solution of conductive particles (for example, platinum-supported carbon) carrying a catalyst and an electrolyte resin of the same type or similar to that of the polymer electrolyte membrane 1.

ガス拡散層6のそれぞれは、MPL4と多孔性基材層5を備えており、MPL4は触媒層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。燃料電池セル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、各触媒層2に圧着されて電極3として一体化している。 Each of the gas diffusion layers 6 includes an MPL 4 and a porous base material layer 5, the MPL 4 is in contact with the catalyst layer 2, and the porous base material layer 5 is in contact with the separator 7. By compressing the fuel cell 10 in the stacking direction, each of the gas diffusion layers 6 is pressure-bonded to each catalyst layer 2 and integrated as an electrode 3.

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、電極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 separator 7 to the entire catalyst layer 2. Further, each of the gas diffusion layers 6 functions as a conductive path between the electrode 3 and the separator 7. During the operation of the fuel cell, the reaction gas supplied to the gas diffusion layer 6 flows through the through pores inside the gas diffusion layer 6 along the plane direction orthogonal to the stacking direction of the gas diffusion layer 6. It reaches the catalyst layer 2 while being diffused.

ガス拡散層6の、触媒層2と接する面に設けられたMPL4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、触媒層2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7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。 In the MPL4 provided on the surface of the gas diffusion layer 6 in contact with the catalyst layer 2, the ultrafine porous structure inhibits the formation of a liquid-water film, so that the water generated by the chemical reaction of the reaction gas is the reaction gas. As a result, the gas diffusivity and drainage property on the surface in contact with the catalyst layer 2 are ensured. The porous base material layer 5 provided on the surface in contact with the separator 7 is composed of a conductive porous body, disperses the reaction gas supplied through the gas flow path groove 8, and uniformly supplies the reaction gas to the catalyst layer 2. Then, it has a role of discharging the generated water generated by the oxidation reaction in the catalyst layer 2 to the outside of the single cell.

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 separators 7 are plate-like members having conductivity and gas impermeableness, and are composed of, for example, a metal plate. Each of the separators 7 is laminated and arranged on the respective surfaces of the gas diffusion layer 6. Each of the separators 7 is formed with a gas flow path groove 8 through which hydrogen or oxygen as a reaction gas flows.

図示及び詳細な説明は省略するが、各燃料電池セル10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、燃料電池セル10の外側には、燃料電池セル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 portion is provided on the outside of each fuel cell 10 to prevent leakage of a fluid such as a reaction gas and short circuit between separators 7. Further, on the outside of the fuel cell 10, a manifold for supplying the reaction gas to the fuel cell 10 is provided.

<ガス拡散層の構成>
図2に、本発明の燃料電池セル中のガス拡散層6の構成を示す。このガス拡散層6においては、多孔質基材層5の表面に導電性粒子から構成されるMPL4が形成され、多孔質基材層5内に浸透し、多孔質基材層5の表面から内部に分布する撥水材9が存在している。
<Structure of gas diffusion layer>
FIG. 2 shows the configuration of the gas diffusion layer 6 in the fuel cell of the present invention. In the gas diffusion layer 6, MPL4 composed of conductive particles is formed on the surface of the porous base material layer 5, penetrates into the porous base material layer 5, and is inside from the surface of the porous base material layer 5. There is a water repellent material 9 distributed in.

MPL4を構成する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。 As the conductive particles constituting MPL4, carbon particles, particularly carbon particles having an average particle size of 20 to 150 nm, for example, carbon black having excellent conductivity and a large specific surface area can be used, and particularly, the conductivity is high. Acetylene black is preferred.

多孔質基材層5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。 The porous base material layer 5 includes a sheet-like material having conductivity and porosity generally used as a base material of a gas diffusion layer of a fuel cell, for example, carbon paper, carbon cloth, carbon non-woven fabric, or the like. A porous sheet material made of carbon fiber can be used.

撥水材9としては、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、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(FEP)、テトラフルオロエチレン−パ^フルオロアルキルビニルエーテル共重合体(PFA)等のフッ素樹脂が利用可能である。 As the water repellent material 9, fluororesins such as polytetrafluoroethylene (PTFE), tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer (FEP), and tetrafluoroethylene-pa-fluoroalkyl vinyl ether copolymer (PFA) are used. It is possible.

本発明においては、ガス拡散層の、セパレータと接する側、すなわちMPLが形成されている側とは反対側、の表面におけるフッ素量に対する、触媒層と接する側、すなわちMPL4が形成されている側の表面におけるフッ素量の比が、1.5以上11以下である。 In the present invention, with respect to the amount of fluorine on the surface of the gas diffusion layer on the side in contact with the separator, that is, the side opposite to the side on which the MPL is formed, the side in contact with the catalyst layer, that is, the side on which the MPL4 is formed. The ratio of the amount of fluorine on the surface is 1.5 or more and 11 or less.

このようなフッ素量の比とするため、例えば、ガス拡散層のセパレータと接する側の面におけるフッ素量は、ガス拡散層の表面におけるガス拡散層の単位面積あたりのフッ素の量として、2%以下であり、またガス拡散層の触媒層と接する側の面におけるフッ素量は、2〜13%である。なお、ここで、ガス拡散層の表面とは、最表面から深さ20μmまでの範囲の層を意味する。また、単位面積あたりのフッ素量は、例えば、エネルギー分散型X線分析(EDX)装置を用いて測定することができる。 In order to use such a ratio of the amount of fluorine, for example, the amount of fluorine on the surface of the gas diffusion layer in contact with the separator is 2% or less as the amount of fluorine per unit area of the gas diffusion layer on the surface of the gas diffusion layer. The amount of fluorine on the surface of the gas diffusion layer on the side in contact with the catalyst layer is 2 to 13%. Here, the surface of the gas diffusion layer means a layer in the range from the outermost surface to a depth of 20 μm. Further, the amount of fluorine per unit area can be measured by using, for example, an energy dispersive X-ray analysis (EDX) apparatus.

<燃料電池セルの製造方法>
本発明の燃料電池セルは、例えば以下の方法によって製造することができる。まず、多孔質基材層の一方の面に、MPL形成用塗工液を、例えばダイ方式のコーター等の公知の方法により塗布する。このMPL形成用塗工液を塗布する前に、撥水材を含むスラリーをあらかじめ多孔質基材層に塗布しておいてもよい。
<Manufacturing method of fuel cell>
The fuel cell of the present invention can be manufactured, for example, by the following method. First, the MPL forming coating liquid is applied to one surface of the porous base material layer by a known method such as a die-type coater. Before applying this MPL forming coating liquid, a slurry containing a water repellent material may be applied to the porous base material layer in advance.

ここで、撥水材を含むスラリーは、上記のフッ素樹脂を溶剤に分散させたものである。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。 Here, the slurry containing the water-repellent material is obtained by dispersing the above-mentioned fluororesin in a solvent. The solvent is not particularly limited, and various liquid agents such as water, methanol, and ethanol can be used.

MPL形成用塗工液は、主に導電性粒子と撥水材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。MPL形成用塗工液には、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。 The coating liquid for MPL formation may be in the form of a paste or a slurry in which conductive particles, a water repellent material and a solvent are mainly mixed and dispersed. Additives such as a dispersant can be added to the MPL forming coating liquid as needed, but it is preferable that the coating liquid does not contain metal in order to avoid contamination.

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。撥水材としては、上記のフッ素樹脂を用いることができる。溶剤としては、特に制限されず、上記のメタノール、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 water repellent material, the above-mentioned fluororesin can be used. The solvent is not particularly limited, and various liquids such as 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.

MPL形成用塗工液の組成は、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、MPL形成用塗工液の物性は、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 coating liquid for forming MPL is, for example, 70 to 90% by mass of conductive particles, 15 to 25% by mass of a binder, and a dispersant, assuming that the total solid content of the conductive particles, the binder, and the dispersant is 100% by mass. Is adjusted to be 5 to 15% by mass. The physical properties of the coating liquid for MPL formation are as follows: a solid content ratio of 15 to 25% by mass, a viscosity of 500 to 2500 mPa · s (50 / s) at a shear rate of 50 s -1 , and a storage elastic modulus of 500 to 500. It may be set to 5500 Pa.

多孔質基材にMPL形成用塗工液を塗布した後、乾燥後、例えば加熱装置を用いて焼成される。この焼成は、一般的な加熱炉により行ってよい。この焼成により、MPL層形成用塗工液の塗膜が微細多孔質層として多孔性基材層上に定着され、多孔性基材層とMPLとが積層されたガス拡散層が形成される。 After applying the MPL forming coating liquid to the porous substrate, it is dried and then fired using, for example, a heating device. This firing may be performed in a general heating furnace. By this firing, the coating film of the coating liquid for forming the MPL layer is fixed on the porous base material layer as a fine porous layer, and a gas diffusion layer in which the porous base material layer and the MPL are laminated is formed.

本発明においては、上記のように、ガス拡散層の、セパレータと接する側の表面におけるフッ素量に対する触媒層と接する側の表面におけるフッ素量の比が1.5以上11以下であるが、上記MPL形成用塗工液を塗布する際に、多孔性基材層へのMPL形成用塗工液の浸み込みを抑制し、多孔性基材層のMPLを形成する面とは反対側の面への、MPL形成用塗工液中の撥水材の多孔性基材層への浸み込みを抑制することにより、ガス拡散層のセパレータと接する側の表面におけるフッ素量を低減し、この要件を達成することができる。又は、MPL形成用塗工液を塗布し、焼成後に、多孔性基材層のMPLを形成した面とは反対側の面からフッ素樹脂を除去するか、またはこの表面を研磨して多孔性基材層を構成するカーボンを粉砕し、フッ素樹脂に対するカーボンの比率を高くすることにより、ガス拡散層の表面におけるフッ素樹脂目付/基材目付を低くし、この要件を達成することができる。 In the present invention, as described above, the ratio of the amount of fluorine on the surface of the gas diffusion layer in contact with the catalyst layer to the amount of fluorine on the surface in contact with the separator is 1.5 or more and 11 or less. When applying the forming coating liquid, the infiltration of the MPL forming coating liquid into the porous base material layer is suppressed, and the surface of the porous base material layer opposite to the surface on which the MPL is formed is formed. By suppressing the infiltration of the water-repellent material into the porous base material layer in the coating liquid for MPL formation, the amount of fluorine on the surface of the gas diffusion layer in contact with the separator is reduced, and this requirement is met. Can be achieved. Alternatively, the coating liquid for forming MPL is applied, and after firing, the fluororesin is removed from the surface of the porous base material layer opposite to the surface on which MPL is formed, or this surface is polished to form a porous group. By crushing the carbon constituting the material layer and increasing the ratio of carbon to the fluororesin, the fluororesin grain / base material grain on the surface of the gas diffusion layer can be lowered, and this requirement can be achieved.

こうして得られたガス拡散層を、高分子電解質膜に接合した触媒層に接合し、さらにセパレータを配置することによって、燃料電池セルが得られる。 A fuel cell can be obtained by joining the gas diffusion layer thus obtained to a catalyst layer bonded to a polymer electrolyte membrane and further arranging a separator.

(実施例1)
カーボンペーパー(東レ製TGP−H060)を34cm×50cmにカットし、フッ素樹脂としてPTFEを含むスラリー中にこのカーボンペーパーを含侵させた。ここで、フッ素樹脂目付/カーボンペーパー目付=7%とした。含侵させたカーボンペーパーを330℃において15分間、乾燥炉で乾燥させた。
(Example 1)
A carbon paper (TGP-H060 manufactured by Toray Industries, Inc.) was cut into a size of 34 cm × 50 cm, and the carbon paper was impregnated in a slurry containing PTFE as a fluororesin. Here, the fluororesin basis weight / carbon paper basis weight was set to 7%. The impregnated carbon paper was dried in a drying oven at 330 ° C. for 15 minutes.

乾燥させたカーボンペーパーの片面にダイ塗工機を用いて、以下の組成を有するMPL形成用塗工液を塗工した(MPL目付:2.0mg/cm)。 An MPL forming coating solution having the following composition was applied to one side of the dried carbon paper using a die coating machine (MPL basis weight: 2.0 mg / cm 2 ).

MPL形成用塗工液を塗工したカーボンペーパーを炉内に入れ、アルゴンガスを炉内に0.2L/minで流しながら、室温から350℃まで昇温させ、350℃に15分保持し、その後炉冷の熱履歴を加えた。炉内温度が室温になった後、カーボンペーパーを炉から取り出した。次いで、円形の耐水ペーパー(#1500)を用い、カーボンペーパーのMPLを設けた面とは反対の面を20秒間研磨し、ガス拡散層を得た。 A carbon paper coated with a coating liquid for MPL formation was put into a furnace, and while flowing argon gas into the furnace at 0.2 L / min, the temperature was raised from room temperature to 350 ° C. and kept at 350 ° C. for 15 minutes. After that, the heat history of furnace cooling was added. After the temperature inside the furnace reached room temperature, the carbon paper was taken out of the furnace. Next, using a circular water resistant paper (# 1500), the surface of the carbon paper opposite to the surface provided with the MPL was polished for 20 seconds to obtain a gas diffusion layer.

(実施例2)
フッ素樹脂目付/カーボンペーパー目付を3%としたことを除き、実施例1と同様にしてガス拡散層を製造した。
(Example 2)
A gas diffusion layer was produced in the same manner as in Example 1 except that the fluororesin basis weight / carbon paper basis weight was set to 3%.

(比較例1)
耐水ペーパーにより研磨しないことを除き、実施例1と同様にしてガス拡散層を製造した。
(Comparative Example 1)
A gas diffusion layer was produced in the same manner as in Example 1 except that it was not polished with water resistant paper.

<評価>
(SEM−EDXによる、各部位におけるフッ素量の測定)
得られたガス拡散層について、デザインカッターを用いて、表面に対して斜めに厚さ方向にカットし、断面の厚さ方向に対して、触媒層側(MPLを形成した側)、中間点、セパレータ側の3点についてSEMで観察し、カーボンファイバーの交点におけるカーボンとフッ素の量をEDXにより定量した。
<Evaluation>
(Measurement of fluorine content at each site by SEM-EDX)
The obtained gas diffusion layer was cut diagonally in the thickness direction with respect to the surface using a design cutter, and the catalyst layer side (the side where the MPL was formed), the intermediate point, and the thickness direction of the cross section. Three points on the separator side were observed by SEM, and the amount of carbon and fluorine at the intersection of carbon fibers was quantified by EDX.

この結果を以下の表2及び図3に示す。
また、得られたガス拡散層における、触媒層側のF量(wt%)/セパレータ側のF量(wt%)を以下の表2に示す。
The results are shown in Table 2 and FIG. 3 below.
Further, in the obtained gas diffusion layer, the amount of F (wt%) on the catalyst layer side / the amount of F (wt%) on the separator side is shown in Table 2 below.

実施例1及び2のガス拡散層の最表面(セパレータ側)はフッ素の量が1wt%及び2wt%と少なく、一方、比較例1においては9wt%であった。カーボンペーパーは表面粗さが約20μm程度であることを考慮すると、実施例1及び2では、最表面からから20μmまでの深さまではフッ素の量が2%以下であり、それ以外は3〜11%程度であると考えられる。 The outermost surface (separator side) of the gas diffusion layers of Examples 1 and 2 had a small amount of fluorine of 1 wt% and 2 wt%, while it was 9 wt% in Comparative Example 1. Considering that the surface roughness of carbon paper is about 20 μm, in Examples 1 and 2, the amount of fluorine is 2% or less at a depth of 20 μm from the outermost surface, and 3 to 11 other than that. It is considered to be about%.

(発電性能評価)
実施例1及び2、並びに比較例1において製造したガス拡散層を用い、1cmサイズの燃料電池セルを作製し、以下の表3に示す条件において発電性能を評価した。なお、カソード及びアノードの各々におけるガスは、露点を表3に設定したバブラーを通過した後、セルに流れることとした。
(Evaluation of power generation performance)
Using the gas diffusion layers produced in Examples 1 and 2 and Comparative Example 1, a 1 cm 2 size fuel cell was produced, and the power generation performance was evaluated under the conditions shown in Table 3 below. The gas at each of the cathode and the anode was decided to flow to the cell after passing through the bubbler whose dew point was set in Table 3.

結果を図4に示す。本発明のガス拡散層(実施例1及び2)を用いた燃料電池セルにおいては、任意の電流値で従来技術(比較例1)のガス拡散層を用いた燃料電池セルよりも電圧が高く、発電面積を小さくしても同等の出力が得られると考えられる。これは、MPLとは反対側の表面層における撥水材を少なくすることにより、ガス拡散層とセパレータとの接触抵抗が小さく、かつ内部には撥水材が存在するため、発電により生成された水が排水できたためである。 The results are shown in FIG. In the fuel cell using the gas diffusion layer of the present invention (Examples 1 and 2), the voltage is higher than that of the fuel cell using the gas diffusion layer of the prior art (Comparative Example 1) at an arbitrary current value. It is considered that the same output can be obtained even if the power generation area is reduced. This is generated by power generation because the contact resistance between the gas diffusion layer and the separator is small and the water repellent material is present inside by reducing the water repellent material in the surface layer on the opposite side of the MPL. This is because the water could be drained.

1 高分子電解質膜
2 触媒層
3 電極
4 微細多孔質層(MPL)
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
9 撥水材
10 燃料電池セル
1 Polymer electrolyte membrane 2 Catalyst layer 3 Electrode 4 Microporous layer (MPL)
5 Porous base material layer 6 Gas diffusion layer 7 Separator 8 Gas flow path groove 9 Water repellent material 10 Fuel cell

Claims (1)

プロトン伝導性高分子電解質膜、前記高分子電解質膜を挟持する一対の電極、及び前記電極を挟持する一対のセパレータから構成される燃料電池セルであって、前記電極が、前記高分子電解質膜と接する側に触媒層を、前記セパレータと接する側にガス拡散層を具備し、前記ガス拡散層の、セパレータと接する側の表面におけるフッ素量に対する触媒層と接する側の表面におけるフッ素量の比が、1.5以上11以下である、燃料電池セル。 A fuel cell composed of a proton-conducting polymer electrolyte membrane, a pair of electrodes sandwiching the polymer electrolyte membrane, and a pair of separators sandwiching the electrodes, wherein the electrodes are the polymer electrolyte membrane. A catalyst layer is provided on the contacting side, and a gas diffusion layer is provided on the side in contact with the separator. A fuel cell that is 1.5 or more and 11 or less.
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