JP2021026994A - Manufacturing method of gas diffusion composite layer for fuel battery - Google Patents

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Abstract

To provide a manufacturing method of a gas diffusion composite layer for a fuel battery, capable of achieving high rigidity, high gas diffusion property, and drainage at the same time, and increasing power generation performance of the fuel battery.SOLUTION: A manufacturing method of a gas diffusion composite layer for a fuel battery including a porous gas diffusion layer and a fine porous layer, comprises: a step of manufacturing the porous gas diffusion layer by burning and sintering a molding body obtained by molding a mixture which contains a metal material particle that includes at least one metal element selected from a group consisting of titanium, gold, silver, copper, platinum, tin, iron, and aluminum, and in which a mean particle diameter is 10 μm or more and 150 μm or less, and a foam material; and a step of forming the fine porous layer coating at least one part of a front surface of the porous gas diffusion layer while filling at least one part of fine holes of the porous gas diffusion layer by using a fine porous layer formation material containing a carbon material.SELECTED DRAWING: Figure 2

Description

本開示は、燃料電池用のガス拡散複合層の製造方法に関する。 The present disclosure relates to a method for producing a gas diffusion composite layer for a fuel cell.

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し、当該膜電極接合体を、ガス流路を有する一対のセパレータで挟持した構造を有する単セルを複数積層して構成されている。
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しており、前記ガス拡散層に、前記セパレータのガス流路を有する側の面を接触させて配置されている。
A fuel cell usually has a basic structure of a membrane electrode assembly in which an electrolyte membrane is sandwiched between a pair of electrodes, and a plurality of single cells having a structure in which the membrane electrode assembly is sandwiched between a pair of separators having a gas flow path are laminated. It is composed of.
Each electrode generally has a structure in which a catalyst layer and a gas diffusion layer are laminated in this order from the electrolyte membrane side, and the surface of the separator on the side having the gas flow path is brought into contact with the gas diffusion layer. It is arranged.

燃料電池用のガス拡散性電極基材(GDL)には、セパレータから供給されるガスを触媒層へと拡散するための高いガス拡散性と、電気化学反応に伴って生成する水をセパレータへ排出するための高い排水性、および発生した電流を取り出すための高い導電性が必要である。そのため、炭素繊維等からなる炭素シートをガス拡散複合層のガス拡散性電極基材とし、その表面にマイクロポーラス層(MPL)を形成したガス拡散複合層が広く用いられている(例えば、図9参照)。
図9中、符号50はガス拡散複合層を示し、符号51は炭素繊維からなるガス拡散性電極基材を示し、符号52はマイクロポーラス層を示し、符号53は溝状の流路を示している。ガス拡散性電極基材51の大孔の一部は、小孔を有するマイクロポーラス層52により充填されている。ガス拡散複合層50においては、主にガス拡散性電極基材51の大孔を通じて、セパレータから供給されるガスの拡散及び電気化学反応に伴って生成する水の排出が行われる。
The gas diffusible electrode base material (GDL) for fuel cells has high gas diffusivity for diffusing the gas supplied from the separator into the catalyst layer, and discharges water generated by the electrochemical reaction to the separator. It is necessary to have high drainage property and high conductivity to take out the generated current. Therefore, a gas diffusion composite layer in which a carbon sheet made of carbon fibers or the like is used as a gas diffusion electrode base material of the gas diffusion composite layer and a microporous layer (MPL) is formed on the surface thereof is widely used (for example, FIG. 9). reference).
In FIG. 9, reference numeral 50 indicates a gas diffusion composite layer, reference numeral 51 indicates a gas diffusing electrode base material made of carbon fiber, reference numeral 52 indicates a microporous layer, and reference numeral 53 indicates a groove-like flow path. There is. A part of the large pores of the gas diffusible electrode base material 51 is filled with a microporous layer 52 having small pores. In the gas diffusion composite layer 50, the gas supplied from the separator is diffused and the water generated by the electrochemical reaction is discharged mainly through the large holes of the gas diffusible electrode base material 51.

特許文献1には、少なくとも炭素繊維を含む多孔質の炭素シート、及び、少なくとも導電性フィラーを含むマイクロポーラス層を有するガス拡散電極基材において、ガス拡散性が31.0〜35.5%であり、前記ガス拡散電極基材を厚み方向に小孔部と大孔部とに分けた際に、大孔部の厚みを3μmより小さいものとすることで、大孔部で形成される生成水の液滴サイズの増大を抑制し、排水性及びガス拡散性の低下を抑制することにより発電性能の低下の抑制を図ったガス拡散電極基材の例が開示されている。 Patent Document 1 states that a gas diffusing electrode substrate having at least a porous carbon sheet containing carbon fibers and at least a microporous layer containing a conductive filler has a gas diffusing property of 31.0 to 35.5%. When the gas diffusion electrode base material is divided into a small hole portion and a large hole portion in the thickness direction, the thickness of the large pore portion is made smaller than 3 μm, so that the generated water formed in the large pore portion is formed. An example of a gas diffusion electrode base material in which an increase in the droplet size of the gas is suppressed and a decrease in drainage property and gas diffusibility is suppressed to suppress a decrease in power generation performance is disclosed.

例えば特許文献1に記載されているような、炭素繊維からなるガス拡散性電極基材は、面内透気度が高いため高い排水性を得られる利点がある一方、剛性が低いため、当該ガス拡散性電極基材の緻密度を低下させると、ガス拡散性電極基材の剛性低下に伴いセパレータの流路内へのガス拡散複合層の撓み込みが生じ易く(図9(b)参照)、当該流路における圧力損失の増加や、膜電極接合体の潰れ等の不具合が生じ易いという問題がある。 For example, the gas diffusing electrode base material made of carbon fiber as described in Patent Document 1 has an advantage that high drainage property can be obtained because of high in-plane air permeability, but has low rigidity, so that the gas is concerned. When the density of the diffusible electrode base material is reduced, the gas diffusion composite layer tends to bend into the flow path of the separator as the rigidity of the gas diffusible electrode base material decreases (see FIG. 9B). There is a problem that problems such as an increase in pressure loss in the flow path and crushing of the membrane electrode assembly are likely to occur.

これに対し、特許文献2には、金属材料を化学エッチングすることにより細孔を形成した多孔質金属ガス拡散層及び触媒層を含む膜電極接合体の例が開示されている。
特許文献2では、ガス拡散層として前述した多孔質金属ガス拡散層を用いることでガス拡散層の剛性の向上を図るとともに、多孔質金属ガス拡散層と触媒層の間に微細多孔質層を介在させ、前記微細多孔質層を、前記多孔質金属ガス拡散層の細孔を充填しかつ前記多孔質金属ガス拡散層の表面をコーティングするように構築することで、触媒層と多孔質金属ガス拡散層との界面における水の滞留防止、及び、触媒層へのガス拡散性の向上を図っている。
On the other hand, Patent Document 2 discloses an example of a membrane electrode assembly including a porous metal gas diffusion layer and a catalyst layer in which pores are formed by chemically etching a metal material.
In Patent Document 2, the above-mentioned porous metal gas diffusion layer is used as the gas diffusion layer to improve the rigidity of the gas diffusion layer, and a fine porous layer is interposed between the porous metal gas diffusion layer and the catalyst layer. By constructing the fine porous layer so as to fill the pores of the porous metal gas diffusion layer and coat the surface of the porous metal gas diffusion layer, the catalyst layer and the porous metal gas diffusion layer are formed. We are trying to prevent water from staying at the interface with the layer and improve the gas diffusivity to the catalyst layer.

特開2017−139219号公報JP-A-2017-139219 特表2017−510967号公報Special Table 2017-510967

しかしながら、特許文献2に記載の膜電極接合体でも、排水性やガス拡散性を十分に高められず、発電性能を向上させる効果を十分に得られないという問題がある。 However, even with the membrane electrode assembly described in Patent Document 2, there is a problem that the drainage property and the gas diffusibility cannot be sufficiently enhanced, and the effect of improving the power generation performance cannot be sufficiently obtained.

本開示は、上記実情に鑑み、高い剛性と、高いガス拡散性及び排水性とを両立することができ、燃料電池の発電性能を高くすることのできる、燃料電池用のガス拡散複合層の製造方法を提供することを目的とする。 In view of the above circumstances, the present disclosure manufactures a gas diffusion composite layer for a fuel cell, which can achieve both high rigidity, high gas diffusibility and drainage property, and can improve the power generation performance of the fuel cell. The purpose is to provide a method.

本開示の燃料電池用のガス拡散複合層の製造方法は、多孔質ガス拡散層と、微細多孔質層とを含む燃料電池用のガス拡散複合層の製造方法であって、チタン、金、銀、銅、白金、錫、鉄及びアルミニウムからなる群から選ばれる少なくとも一種の金属元素を含み、平均粒子径が10μm以上150μm以下である金属材料粒子と、発泡剤とを含む混合物を成型して得た成型体を焼成して焼結させて前記多孔質ガス拡散層を作製する工程と、炭素材料を含む微細多孔質層形成用材料を用いて、前記多孔質ガス拡散層の細孔の少なくとも一部を充填し、かつ当該多孔質ガス拡散層の表面の少なくとも一部を被覆する前記微細多孔質層を形成する工程と、を有することを特徴とする。 The method for producing a gas diffusion composite layer for a fuel cell according to the present disclosure is a method for producing a gas diffusion composite layer for a fuel cell including a porous gas diffusion layer and a fine porous layer, and is titanium, gold, and silver. Obtained by molding a mixture containing a metal material particle containing at least one metal element selected from the group consisting of copper, platinum, tin, iron and aluminum and having an average particle diameter of 10 μm or more and 150 μm or less, and a foaming agent. At least one of the pores of the porous gas diffusion layer is used in the step of calcining and sintering the molded body to prepare the porous gas diffusion layer and the material for forming a fine porous layer containing a carbon material. It is characterized by having a step of forming the fine porous layer which fills a portion and covers at least a part of the surface of the porous gas diffusion layer.

本開示によれば、高い剛性と、高いガス拡散性及び排水性とを両立することができ、燃料電池の発電性能を高くすることのできる、燃料電池用のガス拡散複合層の製造方法を提供することができる。 According to the present disclosure, there is provided a method for manufacturing a gas diffusion composite layer for a fuel cell, which can achieve both high rigidity, high gas diffusibility and drainage property, and can improve the power generation performance of the fuel cell. can do.

本開示の燃料電池用ガス拡散複合層の製造方法における多孔質ガス拡散層作製工程の一例を説明するためのフローチャート図である。It is a flowchart for demonstrating an example of the process of manufacturing a porous gas diffusion layer in the manufacturing method of the gas diffusion composite layer for a fuel cell of this disclosure. 図2(a)は、本開示のガス拡散複合層の製造方法により製造したガス拡散複合層を燃料電池に適用した状態を説明するための概略断面図であり、図2(b)は、図2(a)に示すガス拡散複合層の一部を拡大して示す図である。FIG. 2A is a schematic cross-sectional view for explaining a state in which the gas diffusion composite layer produced by the method for producing the gas diffusion composite layer of the present disclosure is applied to a fuel cell, and FIG. 2B is a diagram. 2 (a) is an enlarged view showing a part of the gas diffusion composite layer. 本開示の製造方法により製造されたガス拡散複合層を適用した燃料電池の層構成の一例を示す図であって、積層方向に切断した断面を模式的に示した図である。It is a figure which shows an example of the layer structure of the fuel cell to which the gas diffusion composite layer manufactured by the manufacturing method of this disclosure is applied, and is the figure which shows typically the cross section cut in the stacking direction. 参考実験例1のガス拡散複合層(2)の層構成を説明するための概略断面図である。It is schematic cross-sectional view for demonstrating the layer structure of the gas diffusion composite layer (2) of Reference Experimental Example 1. 参考実験例2のガス拡散複合層(5)の層構成を説明するための概略断面図である。It is schematic cross-sectional view for demonstrating the layer structure of the gas diffusion composite layer (5) of Reference Experimental Example 2. ガス拡散複合層(1)〜(3)のガス拡散抵抗の測定値を示す図である。It is a figure which shows the measured value of the gas diffusion resistance of the gas diffusion composite layer (1)-(3). ガス拡散複合層(4)〜(5)のガス拡散抵抗の測定値を示す図である。It is a figure which shows the measured value of the gas diffusion resistance of the gas diffusion composite layer (4)-(5). ガス拡散複合層(6)〜(7)のガス拡散抵抗の測定値を示す図である。It is a figure which shows the measured value of the gas diffusion resistance of the gas diffusion composite layer (6)-(7). 図9(a)は、炭素繊維からなるガス拡散性電極基材を有する従来のガス拡散複合層を燃料電池に適用した状態を説明するための概略断面図であり、図9(b)は、図9(a)に示すガス拡散複合層の一部を拡大して示す図である。FIG. 9A is a schematic cross-sectional view for explaining a state in which a conventional gas diffusion composite layer having a gas diffusing electrode base material made of carbon fiber is applied to a fuel cell, and FIG. 9B is a schematic cross-sectional view. It is a figure which shows the part of the gas diffusion composite layer shown in FIG. 9A enlarged. 図10(a)は、従来の製造方法により製造したガス拡散複合層を燃料電池に適用した状態を説明するための概略断面図であり、図10(b)は、図10(a)に示すガス拡散複合層の一部を拡大して示す図である。10 (a) is a schematic cross-sectional view for explaining a state in which the gas diffusion composite layer manufactured by the conventional manufacturing method is applied to the fuel cell, and FIG. 10 (b) is shown in FIG. 10 (a). It is a figure which shows the part of the gas diffusion composite layer enlarged.

本開示の燃料電池用のガス拡散複合層の製造方法は、多孔質ガス拡散層と、微細多孔質層とを含む燃料電池用のガス拡散複合層の製造方法であって、チタン、金、銀、銅、白金、錫、鉄及びアルミニウムからなる群から選ばれる少なくとも一種の金属元素を含み、平均粒子径が10μm以上150μm以下である金属材料粒子と、発泡剤とを含む混合物を成型して得た成型体を焼成して焼結させて前記多孔質ガス拡散層を作製する工程と、炭素材料を含む微細多孔質層形成用材料を用いて、前記多孔質ガス拡散層の細孔の少なくとも一部を充填し、かつ当該多孔質ガス拡散層の表面の少なくとも一部を被覆する前記微細多孔質層を形成する工程と、を有することを特徴とする。 The method for producing a gas diffusion composite layer for a fuel cell according to the present disclosure is a method for producing a gas diffusion composite layer for a fuel cell including a porous gas diffusion layer and a fine porous layer, and is titanium, gold, and silver. Obtained by molding a mixture containing a metal material particle containing at least one metal element selected from the group consisting of copper, platinum, tin, iron and aluminum and having an average particle diameter of 10 μm or more and 150 μm or less, and a foaming agent. At least one of the pores of the porous gas diffusion layer is used in the step of calcining and sintering the molded body to prepare the porous gas diffusion layer and the material for forming a fine porous layer containing a carbon material. It is characterized by having a step of forming the fine porous layer which fills a portion and covers at least a part of the surface of the porous gas diffusion layer.

最初に、従来の製造方法により製造された燃料電池用のガス拡散複合層の問題を説明した上で、本開示の燃料電池用のガス拡散複合層の製造方法について説明する。 First, the problem of the gas diffusion composite layer for a fuel cell manufactured by a conventional manufacturing method will be described, and then the manufacturing method of the gas diffusion composite layer for a fuel cell of the present disclosure will be described.

図10(a)は、従来の製造方法により製造したガス拡散複合層を燃料電池に適用した状態を説明するための概略断面図であり、具体的には、特許文献2に記載の膜電極接合体を燃料電池に適用した状態を示す模式図である。また、図10(b)は、図10(a)に示すガス拡散複合層の一部を拡大して示す図である。 FIG. 10A is a schematic cross-sectional view for explaining a state in which a gas diffusion composite layer manufactured by a conventional manufacturing method is applied to a fuel cell. Specifically, FIG. 10A is a membrane electrode assembly described in Patent Document 2. It is a schematic diagram which shows the state which applied the body to a fuel cell. Further, FIG. 10B is an enlarged view of a part of the gas diffusion composite layer shown in FIG. 10A.

図10に示す膜電極接合体は、金属材料の化学エッチングにより形成された細孔611を有する多孔質金属ガス拡散層61と、当該多孔質金属ガス拡散層61と触媒層63との間に介設された微細多孔質層62とを有している。前述したように、微細多孔質層62は、多孔質金属ガス拡散層61の細孔611を充填しかつ多孔質金属ガス拡散層61の表面をコーティングするように形成されている。
なお、図10に示す膜電極接合体において、多孔質金属ガス拡散層61及び微細多孔質層62の複合層が、本開示の製造方法により製造されるガス拡散複合層に相当する。このため、以下の説明において、図10に示す多孔質金属ガス拡散層61及び微細多孔質層62の複合層を、ガス拡散複合層60と示す。
図10に示す膜電極接合体では、化学エッチングにより形成された多孔質金属ガス拡散層61の細孔611を通して、バイポーラプレートのガス流路であるガスチャネル64から供給されたガスの触媒層63への拡散及び触媒層63で生成した水のガスチャネル64への排水が行われる(図10(a)、(b)参照)。
本研究者は、金属材料を化学エッチングして形成された細孔611を有する、図10に示す多孔質金属ガス拡散層61は、炭素繊維からなる多孔質ガス拡散層51(図9参照)と比較して高い剛性を得られるものの、各細孔611間に存在するブリッジ612により、以下の(1)〜(2)の現象が発生し、触媒層63へのガス拡散性及びガスチャネル64への排水性が低下する問題があり、当該多孔質金属ガス拡散層61を有するガス拡散複合層60を適用した燃料電池は、発電性能が十分に高められないことを知見した。
なお、ブリッジ612とは、金属材料の化学エッチングにより形成された多孔質金属ガス拡散層61における、連続する細孔611間の領域をいう。
(1)細孔611間に存在するブリッジ612が、各ガスチャネル64の開口部641の一部又は全部を閉塞することで、ガスチャネル64からガス拡散複合層60を経由して触媒層63に至るまでのガスの流路が閉塞され、ガス拡散性が低下する(図10(b)参照)。
(2)細孔611間に存在するブリッジ612が、各ガスチャネル64の開口部641の一部又は全部を閉塞することで、触媒層63で生成した水が、ガス拡散複合層60を経由してガスチャネル64に至るまでの流路が閉塞され、排水性が低下する(図10(b)参照)。
The membrane electrode assembly shown in FIG. 10 is interposed between a porous metal gas diffusion layer 61 having pores 611 formed by chemical etching of a metal material, and the porous metal gas diffusion layer 61 and a catalyst layer 63. It has a fine porous layer 62 provided. As described above, the fine porous layer 62 is formed so as to fill the pores 611 of the porous metal gas diffusion layer 61 and coat the surface of the porous metal gas diffusion layer 61.
In the membrane electrode assembly shown in FIG. 10, the composite layer of the porous metal gas diffusion layer 61 and the fine porous layer 62 corresponds to the gas diffusion composite layer manufactured by the production method of the present disclosure. Therefore, in the following description, the composite layer of the porous metal gas diffusion layer 61 and the fine porous layer 62 shown in FIG. 10 is referred to as a gas diffusion composite layer 60.
In the membrane electrode assembly shown in FIG. 10, through the pores 611 of the porous metal gas diffusion layer 61 formed by chemical etching, to the catalyst layer 63 of the gas supplied from the gas channel 64, which is the gas flow path of the bipolar plate. And drain the water generated in the catalyst layer 63 to the gas channel 64 (see FIGS. 10 (a) and 10 (b)).
The present researcher has found that the porous metal gas diffusion layer 61 shown in FIG. 10, which has pores 611 formed by chemically etching a metal material, is a porous gas diffusion layer 51 made of carbon fibers (see FIG. 9). Although higher rigidity can be obtained in comparison, the following phenomena (1) and (2) occur due to the bridge 612 existing between the pores 611, and the gas diffusibility to the catalyst layer 63 and the gas channel 64 It has been found that the fuel cell to which the gas diffusion composite layer 60 having the porous metal gas diffusion layer 61 has the problem that the drainage property of the fuel cell is not sufficiently improved in power generation performance.
The bridge 612 refers to a region between continuous pores 611 in the porous metal gas diffusion layer 61 formed by chemical etching of a metal material.
(1) The bridge 612 existing between the pores 611 closes a part or all of the opening 641 of each gas channel 64 from the gas channel 64 to the catalyst layer 63 via the gas diffusion composite layer 60. The gas flow path leading up to it is blocked, and the gas diffusibility is reduced (see FIG. 10B).
(2) The bridge 612 existing between the pores 611 closes a part or all of the opening 641 of each gas channel 64, so that the water generated in the catalyst layer 63 passes through the gas diffusion composite layer 60. The flow path leading to the gas channel 64 is blocked, and the drainage property is reduced (see FIG. 10B).

また、本研究者は、図10に示す微細多孔質層62を形成する際に、多孔質金属ガス拡散層61の各細孔611に微細多孔質層形成用材料が浸透し、多孔質金属ガス拡散層61の細孔611の全てが微細多孔質層62により略完全に充填された状態(図10(b)参照。)となることにより、多孔質金属ガス拡散層61のガス拡散抵抗が増大し易い問題があり、当該多孔質金属ガス拡散層61を有するガス拡散複合層60を適用した燃料電池は、発電性能が十分に高められないことを知見した。 In addition, when the microporous layer 62 shown in FIG. 10 was formed, the present researcher permeated each pore 611 of the porous metal gas diffusion layer 61 with the material for forming the microporous layer, and the porous metal gas. The gas diffusion resistance of the porous metal gas diffusion layer 61 increases when all the pores 611 of the diffusion layer 61 are substantially completely filled with the fine porous layer 62 (see FIG. 10B). It has been found that a fuel cell to which the gas diffusion composite layer 60 having the porous metal gas diffusion layer 61 is applied cannot sufficiently improve the power generation performance.

このような従来の製造方法に対して、本開示の燃料電池用のガス拡散複合層の製造方法は、以下の特徴を有することにより、上記問題を解決することができる。 In contrast to such a conventional manufacturing method, the method for manufacturing a gas diffusion composite layer for a fuel cell of the present disclosure can solve the above problem by having the following features.

本開示の燃料電池用ガス拡散複合層の製造工程について、図1〜図2を参照しつつ説明する。
先ず、チタン、金、銀、銅、白金、錫、鉄及びアルミニウムからなる群から選ばれる少なくとも一種の金属元素を含み平均粒子径が10μm以上150μm以下である金属材料粒子と、発泡剤とを含む混合物を成型して得た成型体を焼成して焼結させて多孔質ガス拡散層を作製する多孔質ガス拡散層作製工程を行う(工程I)。
次に、炭素材料を含む微細多孔質層形成用材料を用いて、前記多孔質ガス拡散層の細孔の少なくとも一部を充填し、かつ当該多孔質ガス拡散層の表面の少なくとも一部を被覆する微細多孔質層を形成する微細多孔質層形成工程を行う(工程II)。
The manufacturing process of the gas diffusion composite layer for a fuel cell of the present disclosure will be described with reference to FIGS. 1 and 2.
First, it contains metal material particles containing at least one metal element selected from the group consisting of titanium, gold, silver, copper, platinum, tin, iron and aluminum and having an average particle diameter of 10 μm or more and 150 μm or less, and a foaming agent. A porous gas diffusion layer preparation step is performed in which a molded product obtained by molding the mixture is fired and sintered to produce a porous gas diffusion layer (step I).
Next, a fine porous layer forming material containing a carbon material is used to fill at least a part of the pores of the porous gas diffusion layer and cover at least a part of the surface of the porous gas diffusion layer. A microporous layer forming step of forming a microporous layer is performed (step II).

(工程I)
先ず、多孔質ガス拡散層作製工程(工程I)について説明する。
図1は、本開示の燃料電池用ガス拡散複合層の製造方法における多孔質ガス拡散層作製工程の一例を説明するためのフローチャート図である。多孔質ガス拡散層作製工程(工程I)は、例えば図1に示す工程(I−1)〜工程(I−5)により行うことができる。
(Step I)
First, a step of producing a porous gas diffusion layer (step I) will be described.
FIG. 1 is a flowchart for explaining an example of a process for producing a porous gas diffusion layer in the method for producing a gas diffusion composite layer for a fuel cell of the present disclosure. The porous gas diffusion layer preparation step (step I) can be performed, for example, by the steps (I-1) to (I-5) shown in FIG.

(工程(I−1))
先ず、金属材料粒子と発泡剤とを含む混合物を準備する準備工程を行う。
(Step (I-1))
First, a preparatory step is performed to prepare a mixture containing metal material particles and a foaming agent.

金属材料粒子としては、チタン、金、銀、銅、白金、錫、鉄及びアルミニウムからなる群から選ばれる少なくとも一種の金属元素を含む金属材料の粒子を用いる。鉄を含む金属材料としては、例えばSUSを用いても良い。 As the metal material particles, particles of a metal material containing at least one metal element selected from the group consisting of titanium, gold, silver, copper, platinum, tin, iron and aluminum are used. As the metal material containing iron, for example, SUS may be used.

金属材料粒子の平均粒径(D50)は、10μm以上150μm以下である。
金属材料粒子の平均粒子径(D50)が10μm以上であることにより、後述する焼結工程(工程(I−3))の後に得られる多孔質ガス拡散層の空隙率の低下を抑制することができ、当該多孔質ガス拡散層の表面に微細多孔質層を形成した後の多孔質ガス拡散層におけるガス拡散抵抗の増大を抑制することができる。
また、金属材料粒子の平均粒子径(D50)が150μm以下であることにより、後述する焼結工程(工程(I−3))の後に得られる多孔質ガス拡散層の空隙率が過度に高くなるのを抑制することができ、当該多孔質ガス拡散層における剛性の低下を抑制することが可能となる。
金属材料粒子の平均粒子径(D50)は、好ましくは、20μm以上80μm以下である。
なお、微細多孔質層形成前の多孔質ガス拡散層の空隙率と、微細多孔質層形成後の多孔質ガス拡散層のガス拡散抵抗との関係については、後述する参考実験例3の評価の項目において詳述する。
The average particle size (D50) of the metal material particles is 10 μm or more and 150 μm or less.
When the average particle size (D50) of the metal material particles is 10 μm or more, it is possible to suppress a decrease in the porosity of the porous gas diffusion layer obtained after the sintering step (step (I-3)) described later. It is possible to suppress an increase in gas diffusion resistance in the porous gas diffusion layer after forming the fine porous layer on the surface of the porous gas diffusion layer.
Further, when the average particle diameter (D50) of the metal material particles is 150 μm or less, the porosity of the porous gas diffusion layer obtained after the sintering step (step (I-3)) described later becomes excessively high. It is possible to suppress a decrease in rigidity of the porous gas diffusion layer.
The average particle size (D50) of the metal material particles is preferably 20 μm or more and 80 μm or less.
The relationship between the porosity of the porous gas diffusion layer before the formation of the fine porous layer and the gas diffusion resistance of the porous gas diffusion layer after the formation of the fine porous layer is evaluated in Reference Experimental Example 3 described later. It will be described in detail in the item.

本開示において、金属材料粒子の平均粒径は、レーザー回折・散乱式粒子径分布測定により測定される値である。また、本開示においてメディアン径(D50)とは、粒径の小さい粒子から順に粒子を並べた場合に、金属材料粒子の累積体積が全体の体積の半分(50%)となる径である。 In the present disclosure, the average particle size of the metal material particles is a value measured by laser diffraction / scattering type particle size distribution measurement. Further, in the present disclosure, the median diameter (D50) is a diameter at which the cumulative volume of the metal material particles becomes half (50%) of the total volume when the particles are arranged in order from the particles having the smallest particle size.

発泡剤としては、例えば炭酸水素ナトリウム等の無機発泡剤が挙げられる。 Examples of the foaming agent include an inorganic foaming agent such as sodium hydrogen carbonate.

金属材料粒子と発泡剤とを含む混合物には、例えば、ポリビニルアルコール等の水系バインダーを混合してもよい。 An aqueous binder such as polyvinyl alcohol may be mixed with the mixture containing the metal material particles and the foaming agent.

金属材料粒子と発泡剤と水系バインダーとの配合比率は、後述する焼結工程(工程(I−3))後に得られる多孔質ガス拡散層において目標とする空隙率等に応じて、適宜調整することができる。 The blending ratio of the metal material particles, the foaming agent, and the water-based binder is appropriately adjusted according to the target porosity in the porous gas diffusion layer obtained after the sintering step (step (I-3)) described later. be able to.

(工程(I−2))
次に、工程(I−1)で得られた混合物を型に充填して所望の形状及び所望の厚さに成形し、成形体の厚みを均一にして表面を平滑化した後、発泡剤の発泡温度付近の温度で加熱することで発泡剤を発泡させ、発泡スラリーを得る発泡工程を行ってもよい。
なお、本開示の製造方法においては、工程(I−1)で得られた混合物を型に充填して所望の形状及び所望の厚さに成形して得た成形体を発泡剤の発泡温度付近の温度で加熱することなく、当該成形体をそのまま、後述する焼結工程(I−3)において焼成して焼結させてもよい。
(Step (I-2))
Next, the mixture obtained in step (I-1) is filled in a mold, molded into a desired shape and a desired thickness, the thickness of the molded product is made uniform, the surface is smoothed, and then the foaming agent is used. The foaming agent may be foamed by heating at a temperature close to the foaming temperature to obtain a foamed slurry.
In the production method of the present disclosure, a molded product obtained by filling a mold with the mixture obtained in step (I-1) and molding it into a desired shape and a desired thickness is brought into the vicinity of the foaming temperature of the foaming agent. The molded product may be fired and sintered in the sintering step (I-3) described later as it is without heating at the temperature of.

(工程(I−3))
次に、工程(I−2)で作製した発泡スラリーを乾燥させた後、金属材料粒子の材質に応じた温度で焼成して焼結させて、焼結金属多孔体である多孔質ガス拡散層を得る焼結工程を行う。
発泡スラリーの焼結は、得られる焼結金属多孔体の表面に酸化物層が形成することにより多孔質ガス拡散層の電気抵抗が増加するのを抑制する観点から、真空雰囲気下で行うことが好ましい。
(Step (I-3))
Next, the foamed slurry produced in step (I-2) is dried, then fired and sintered at a temperature corresponding to the material of the metal material particles, and a porous gas diffusion layer which is a sintered metal porous body is obtained. Perform the sintering process to obtain.
Sintering of the foamed slurry can be performed in a vacuum atmosphere from the viewpoint of suppressing an increase in the electrical resistance of the porous gas diffusion layer due to the formation of an oxide layer on the surface of the obtained sintered metal porous body. preferable.

(工程(I−4))
次に、工程(I−3)で作製した多孔質ガス拡散層を所望の大きさに切断する切断工程を行う。
これにより、所望の大きさ及び厚さを有する多孔質ガス拡散層を得る。
なお、工程(I−3)において、所望の大きさの多孔質ガス拡散層が得られた場合には、切断工程(工程(I−4))は、必ずしも行わなくてもよい。
(Step (I-4))
Next, a cutting step of cutting the porous gas diffusion layer produced in the step (I-3) to a desired size is performed.
As a result, a porous gas diffusion layer having a desired size and thickness is obtained.
When a porous gas diffusion layer having a desired size is obtained in the step (I-3), the cutting step (step (I-4)) does not necessarily have to be performed.

(工程(I−5))
次に、工程(I−4)で作製した切断後の多孔質ガス拡散層が、所望の物性値を満たしているか否かを検査する検査工程を行う。
検査を行う項目は、例えば以下に示す、多孔質ガス拡散層の空隙率、曲げ弾性率等が挙げられる。なお、検査工程は任意の工程であり、必ずしも行わなくてもよい。
(Step (I-5))
Next, an inspection step of inspecting whether or not the cut porous gas diffusion layer produced in the step (I-4) satisfies a desired physical property value is performed.
Items to be inspected include, for example, the porosity and flexural modulus of the porous gas diffusion layer shown below. The inspection step is an arbitrary step and does not necessarily have to be performed.

多孔質ガス拡散層の厚さは、30μm以上300μm以下であることが好ましく、100μm以上200μm以下であることがより好ましい。
多孔質ガス拡散層の厚さを30μm以上とすることにより、当該多孔質ガス拡散層の面内透気度の低下を抑制し、ガス拡散複合層を燃料電池に適用したときの発電分布の均一性を向上させることができる。また、多孔質ガス拡散層の厚さを30μm以上とすることにより、当該多孔質ガス拡散層における剛性の低下を抑制することができる。多孔質ガス拡散層の厚さが30μm未満であると、ガス拡散複合層を燃料電池に適用したときに、多孔質ガス拡散層のガス流路への撓み込みや、これに伴う、ガス流路における圧力損失の増大及びガス拡散複合層の潰れ等が発生する虞がある。
また、多孔質ガス拡散層の厚さを300μm以下とすることにより、後述する微細多孔質層形成工程(工程II)において、微細多孔質層形成用材料が当該多孔質ガス拡散層の全域に浸透した場合に、微細多孔質層形成後の多孔質ガス拡散層のガス拡散抵抗が増大するのを抑制することができ、当該多孔質ガス拡散層を有するガス拡散複合層において、高いガス拡散性を得ることができる。
なお、微細多孔質層形成前の多孔質ガス拡散層の厚さと、微細多孔質層形成後の多孔質ガス拡散層のガス拡散抵抗との関係については、後述する参考実験例2の評価の項目において詳述する。
なお、本開示において、多孔質ガス拡散層の面内透気度とは、多孔質ガス拡散層の面方向での通気性能を示す評価指標である。
The thickness of the porous gas diffusion layer is preferably 30 μm or more and 300 μm or less, and more preferably 100 μm or more and 200 μm or less.
By setting the thickness of the porous gas diffusion layer to 30 μm or more, it is possible to suppress a decrease in the in-plane air permeability of the porous gas diffusion layer, and to make the power generation distribution uniform when the gas diffusion composite layer is applied to a fuel cell. The sex can be improved. Further, by setting the thickness of the porous gas diffusion layer to 30 μm or more, it is possible to suppress a decrease in rigidity of the porous gas diffusion layer. If the thickness of the porous gas diffusion layer is less than 30 μm, when the gas diffusion composite layer is applied to the fuel cell, the porous gas diffusion layer bends into the gas flow path, and the gas flow path is accompanied by this. There is a risk that the pressure loss will increase and the gas diffusion composite layer will collapse.
Further, by setting the thickness of the porous gas diffusion layer to 300 μm or less, the material for forming the fine porous layer permeates the entire area of the porous gas diffusion layer in the microporous layer forming step (step II) described later. In this case, it is possible to suppress an increase in the gas diffusion resistance of the porous gas diffusion layer after the formation of the fine porous layer, and to obtain high gas diffusivity in the gas diffusion composite layer having the porous gas diffusion layer. Obtainable.
The relationship between the thickness of the porous gas diffusion layer before the formation of the fine porous layer and the gas diffusion resistance of the porous gas diffusion layer after the formation of the fine porous layer is described in the evaluation item of Reference Experimental Example 2 described later. Will be described in detail in.
In the present disclosure, the in-plane air permeability of the porous gas diffusion layer is an evaluation index indicating the air permeability of the porous gas diffusion layer in the plane direction.

微細多孔質層形成前の多孔質ガス拡散層の空隙率は、60%以上90%以下であることが好ましく、75%以上85%以下であることがより好ましい。
微細多孔質層形成前の多孔質ガス拡散層の空隙率を60%以上とすることにより、後述する微細多孔質層形成工程(工程II)において、微細多孔質層形成用材料が当該多孔質ガス拡散層の全域に浸透した場合に、微細多孔質層形成後の多孔質ガス拡散層のガス拡散抵抗が増大するのを抑制することができ、当該多孔質ガス拡散層を有するガス拡散複合層において、高いガス拡散性を得ることができる。
一方、多孔質ガス拡散層の空隙率を90%以下とすることにより、当該多孔質ガス拡散層の剛性の低下を抑制することができる。
なお、微細多孔質層形成前の多孔質ガス拡散層の空隙率と、微細多孔質層形成後の多孔質ガス拡散層のガス拡散抵抗との関係については、後述する参考実験例3の評価の項目において詳述する。
The porosity of the porous gas diffusion layer before forming the fine porous layer is preferably 60% or more and 90% or less, and more preferably 75% or more and 85% or less.
By setting the porosity of the porous gas diffusion layer before forming the fine porous layer to 60% or more, the material for forming the fine porous layer is the porous gas in the fine porous layer forming step (step II) described later. When it permeates the entire area of the diffusion layer, it is possible to suppress an increase in the gas diffusion resistance of the porous gas diffusion layer after the formation of the fine porous layer, and in the gas diffusion composite layer having the porous gas diffusion layer. , High gas diffusivity can be obtained.
On the other hand, by setting the porosity of the porous gas diffusion layer to 90% or less, it is possible to suppress a decrease in the rigidity of the porous gas diffusion layer.
The relationship between the porosity of the porous gas diffusion layer before the formation of the fine porous layer and the gas diffusion resistance of the porous gas diffusion layer after the formation of the fine porous layer is evaluated in Reference Experimental Example 3 described later. It will be described in detail in the item.

本開示において、「空隙率」とは、材料の密度から算出される理論体積と実際の体積との比から求められる値である。空隙率は、液浸法、排除気体容積法、圧力比較法等により測定することができる。 In the present disclosure, the "porosity" is a value obtained from the ratio of the theoretical volume calculated from the density of the material to the actual volume. The porosity can be measured by an immersion method, an exhaust gas volume method, a pressure comparison method, or the like.

微細多孔質層形成前の多孔質ガス拡散層の空隙率は、例えば、前述した混合物の準備工程(工程(I−1))において混合物を調製する際に、金属材料粒子、発泡剤及び水系バインダーの配合比率を調整する、又は、前述した発泡工程(工程(I−2))における発泡温度や発泡時間を制御することによって、所望の範囲に調製することができる。 The porosity of the porous gas diffusion layer before the formation of the fine porous layer is determined by, for example, the metal material particles, the foaming agent, and the aqueous binder when the mixture is prepared in the above-mentioned mixture preparation step (step (I-1)). It can be prepared in a desired range by adjusting the blending ratio of the above-mentioned compounding ratio or by controlling the foaming temperature and the foaming time in the foaming step (step (I-2)) described above.

微細多孔質層形成前の多孔質ガス拡散層の曲げ弾性率は、15GPa以上60GPa以下であることが好ましく、20GPa以上50GPa以下であることがより好ましい。
微細多孔質層形成前の多孔質ガス拡散層の曲げ弾性率を15GPa以上とすることで、当該多孔質ガス拡散層における剛性の低下を抑制することができる。このため、ガス拡散複合層を適用した燃料電池において、多孔質ガス拡散層のガス流路への撓み込みや、これに伴うガス流路における圧力損失の増大及び当該ガス拡散複合層の潰れ等の現象を抑制することができる。
また、微細多孔質層形成前の多孔質ガス拡散層の曲げ弾性率を60GPa以下とすることで、当該多孔質ガス拡散層の空隙率を、前述した所望の範囲に調製することが可能となる。
なお、本開示において、曲げ弾性率は、JIS K7171に準拠して測定した値とする。
The flexural modulus of the porous gas diffusion layer before the formation of the fine porous layer is preferably 15 GPa or more and 60 GPa or less, and more preferably 20 GPa or more and 50 GPa or less.
By setting the flexural modulus of the porous gas diffusion layer before forming the fine porous layer to 15 GPa or more, it is possible to suppress a decrease in rigidity of the porous gas diffusion layer. Therefore, in a fuel cell to which the gas diffusion composite layer is applied, the porous gas diffusion layer is bent into the gas flow path, the pressure loss in the gas flow path is increased due to this, and the gas diffusion composite layer is crushed. The phenomenon can be suppressed.
Further, by setting the flexural modulus of the porous gas diffusion layer before forming the fine porous layer to 60 GPa or less, the porosity of the porous gas diffusion layer can be adjusted to the above-mentioned desired range. ..
In the present disclosure, the flexural modulus is a value measured in accordance with JIS K7171.

(工程II)
微細多孔質層形成工程(工程II)は、例えば、工程Iで作製した多孔質ガス拡散層の一方の主面の少なくとも一部に、炭素材料を含む微細多孔質層形成用材料を塗布した後、所定の温度で乾燥及び/又は焼成することにより行うことができる。
(Step II)
In the microporous layer forming step (step II), for example, after applying a fine porous layer forming material containing a carbon material to at least a part of one main surface of the porous gas diffusion layer prepared in step I. , Can be done by drying and / or firing at a predetermined temperature.

微細多孔質層形成用材料は、炭素材料を含む。
炭素材料としては、カーボンブラック(炭素粉末)、アセチレンブラック、膨張黒鉛、炭素繊維からなる群から選ばれる少なくとも一種を用いることができる。
微細多孔質層形成用材料は、前述した炭素材料に加えて、親水性を付与するための界面活性剤、ポリテトラフルオロエチレン(以下、「PTFE」と示すことがある)等の撥水性樹脂を含むことが好ましい。また、微細多孔質層形成用材料には、さらに、前述した炭素材料を溶媒に均一に分散させ安定させるために、分散剤や増粘剤を配合してもよい。
The material for forming a fine porous layer includes a carbon material.
As the carbon material, at least one selected from the group consisting of carbon black (carbon powder), acetylene black, expanded graphite, and carbon fiber can be used.
As the material for forming the fine porous layer, in addition to the carbon material described above, a water-repellent resin such as polytetrafluoroethylene (hereinafter, may be referred to as “PTFE”), which is a surfactant for imparting hydrophilicity, is used. It is preferable to include it. Further, the material for forming the fine porous layer may further contain a dispersant or a thickener in order to uniformly disperse and stabilize the carbon material described above in the solvent.

微細多孔質層形成用材料の塗布は、ドクターブレード法またはスクリーン印刷法を用いて行うことができる。 The application of the material for forming a fine porous layer can be performed by using a doctor blade method or a screen printing method.

多孔質ガス拡散層の表面に塗布した微細多孔質層形成用材料の少なくとも一部は、多孔質ガス拡散層の細孔に浸透させてもよい。微細多孔質層形成用材料は、多孔質ガス拡散層の一部に浸透させるようにしてもよく、多孔質ガス拡散層における水の液滴化を抑制する観点から多孔質ガス拡散層の全体に浸透させるようにしてもよい。 At least a part of the material for forming a fine porous layer applied to the surface of the porous gas diffusion layer may permeate into the pores of the porous gas diffusion layer. The material for forming the fine porous layer may be allowed to permeate a part of the porous gas diffusion layer, and from the viewpoint of suppressing water droplet formation in the porous gas diffusion layer, the entire porous gas diffusion layer may be used. It may be allowed to penetrate.

微細多孔質層形成用材料を多孔質ガス拡散層に浸透させた後、さらに微細多孔質層形成用材料を多孔質ガス拡散層の表面に塗布することにより、多孔質ガス拡散層の表面を被覆する、微細多孔質層形成用材料の層を形成することができる。 After the material for forming the fine porous layer is infiltrated into the porous gas diffusion layer, the surface of the porous gas diffusion layer is coated by further applying the material for forming the fine porous layer to the surface of the porous gas diffusion layer. It is possible to form a layer of a material for forming a fine porous layer.

以上のようにして微細多孔質層形成用材料を塗布した後の多孔質ガス拡散層を、乾燥及び/又は焼成することにより、後述する充填領域及び表面被覆部を有する微細多孔質層を形成することができる。
多孔質ガス拡散層の厚さと微細多孔質層の表面被覆部の厚さとの比は特に限定されないが、1:4〜4:1の範囲であってもよい。
By drying and / or firing the porous gas diffusion layer after applying the material for forming the fine porous layer as described above, a fine porous layer having a filling region and a surface covering portion described later is formed. be able to.
The ratio of the thickness of the porous gas diffusion layer to the thickness of the surface coating portion of the fine porous layer is not particularly limited, but may be in the range of 1: 4 to 4: 1.

本開示の製造方法によれば、焼結金属多孔体である多孔質ガス拡散層の表面に、当該多孔質ガス拡散層の細孔の少なくとも一部を充填し、かつ当該多孔質ガス拡散層の表面の少なくとも一部を被覆する微細多孔質層を形成することで、燃料電池に適用したときに、高い剛性を有し、触媒層と多孔質ガス拡散層との界面における水の滞留が生じ難く、またガス流路から供給されたガスの触媒層への拡散が生じ易く、排水性及びガス拡散性に優れたガス拡散複合層を提供することができる。 According to the manufacturing method of the present disclosure, the surface of the porous gas diffusion layer which is a sintered metal porous body is filled with at least a part of the pores of the porous gas diffusion layer, and the porous gas diffusion layer is formed. By forming a fine porous layer that covers at least a part of the surface, it has high rigidity when applied to a fuel cell, and it is difficult for water to stay at the interface between the catalyst layer and the porous gas diffusion layer. Further, the gas supplied from the gas flow path is likely to diffuse into the catalyst layer, and a gas diffusion composite layer having excellent drainage and gas diffusivity can be provided.

図2(a)は、本開示のガス拡散複合層の製造方法により製造したガス拡散複合層を燃料電池に適用した状態を説明するための概略断面図であり、図2(b)は、図2(a)に示すガス拡散複合層の一部を拡大して示す図である。
図2に示すように、ガス拡散複合層10は、多孔質ガス拡散層11と微細多孔質層12とを有している。微細多孔質層12は、多孔質ガス拡散層11の細孔を充填する充填領域121と、多孔質ガス拡散層11の表面を被覆する表面被覆部122とを有している。図2中、符号13は触媒層を示しており、符号14は溝状のガス流路を示している。
FIG. 2A is a schematic cross-sectional view for explaining a state in which the gas diffusion composite layer produced by the method for producing the gas diffusion composite layer of the present disclosure is applied to a fuel cell, and FIG. 2B is a diagram. 2 (a) is an enlarged view showing a part of the gas diffusion composite layer.
As shown in FIG. 2, the gas diffusion composite layer 10 has a porous gas diffusion layer 11 and a fine porous layer 12. The fine porous layer 12 has a filling region 121 that fills the pores of the porous gas diffusion layer 11 and a surface covering portion 122 that covers the surface of the porous gas diffusion layer 11. In FIG. 2, reference numeral 13 indicates a catalyst layer, and reference numeral 14 indicates a groove-shaped gas flow path.

本開示の製造方法によれば、チタン、金、銀、銅、白金、錫、鉄及びアルミニウムからなる群から選ばれる少なくとも一種の金属元素を含む金属材料粒子と、発泡剤とを含む混合物を焼結させて、焼結金属多孔体である多孔質ガス拡散層を作製することにより、炭素繊維からなる多孔質ガス拡散層51(図9参照。)と比較して、高い剛性を有する多孔質ガス拡散層を備えたガス拡散複合層を得ることができる。
従って、燃料電池に適用したときに、多孔質ガス拡散層のガス流路への撓み込みや、これに伴う、ガス流路における圧力損失の増大及びガス拡散複合層の潰れ等の発生が抑制されたガス拡散複合層を得ることができる。
According to the production method of the present disclosure, a mixture containing a foaming agent and metal material particles containing at least one metal element selected from the group consisting of titanium, gold, silver, copper, platinum, tin, iron and aluminum is fired. By connecting to form a porous gas diffusion layer which is a sintered metal porous body, a porous gas having higher rigidity as compared with the porous gas diffusion layer 51 made of carbon fibers (see FIG. 9). A gas diffusion composite layer provided with a diffusion layer can be obtained.
Therefore, when applied to a fuel cell, the deflection of the porous gas diffusion layer into the gas flow path and the accompanying increase in pressure loss in the gas flow path and the collapse of the gas diffusion composite layer are suppressed. A gas diffusion composite layer can be obtained.

また、本開示の製造方法によれば、前述した金属材料粒子と発泡剤とを含む混合物を焼結させて、焼結金属多孔体である多孔質ガス拡散層を作製しているため、炭素繊維からなる多孔質ガス拡散層51(図9参照。)を用いた場合と比較して、微細多孔質層形成後の多孔質ガス拡散層において高い剛性を得られ易い。
このため、炭素繊維からなる多孔質ガス拡散層51を用いた場合と比較して、微細多孔質層形成前の多孔質ガス拡散層における空隙率を高めることが可能となり、微細多孔質層を形成した後の多孔質ガス拡散層において、ガス拡散抵抗が増大するのを抑制することができる。
なお、微細多孔質層形成前の多孔質ガス拡散層の空隙率と、微細多孔質層形成後の多孔質ガス拡散層のガス拡散抵抗との関係については、後述する評価の項目において詳述する。
Further, according to the manufacturing method of the present disclosure, since the porous gas diffusion layer which is a sintered metal porous body is produced by sintering the mixture containing the metal material particles and the foaming agent described above, carbon fibers Compared with the case where the porous gas diffusion layer 51 (see FIG. 9) made of the above is used, it is easy to obtain high rigidity in the porous gas diffusion layer after forming the fine porous layer.
Therefore, as compared with the case where the porous gas diffusion layer 51 made of carbon fibers is used, it is possible to increase the porosity in the porous gas diffusion layer before the formation of the fine porous layer, and the fine porous layer is formed. In the porous gas diffusion layer after this, it is possible to suppress an increase in gas diffusion resistance.
The relationship between the porosity of the porous gas diffusion layer before the formation of the fine porous layer and the gas diffusion resistance of the porous gas diffusion layer after the formation of the fine porous layer will be described in detail in the evaluation items described later. ..

また、本開示の製造方法によれば、前述した金属材料粒子と、発泡剤とを含む混合物を焼結させて、焼結金属多孔体である多孔質ガス拡散層を作製しているため、層全体に、発泡剤により形成された微細な孔部を有する多孔質ガス拡散層を備えたガス拡散複合層を得ることができる。
従って、本開示の製造方法によって製造されるガス拡散複合層を適用した燃料電池においては、発泡剤により形成された多孔質ガス拡散層の孔部を通して、ガス流路から供給されるガスの触媒層への拡散及び触媒層で生成した水のガス流路への排水が行われる。
即ち、本開示の製造方法によれは、ブリッジ612(図10(b)参照)を有しないガス拡散複合層を得られるため、当該ガス拡散複合層を燃料電池に適用したときに、各ガス流路の開口部の一部又は全部が閉塞される現象を抑制できるガス拡散複合層を提供することができる。
従って、本開示の製造方法によれば、燃料電池に適用したときに、ガス流路からガス拡散複合層を経由して触媒層に至るまでのガスの流路が閉塞される現象や、触媒層で生成した水がガス拡散複合層を経由してガス流路に至るまでの流路が閉塞される現象を抑制することができ、多孔質ガス拡散層の全体に形成された孔部からなるシンプルな流路により、ガス流路から供給されたガスの触媒層への拡散及び触媒層で生成した水のガス流路への排水を行うことができる。
Further, according to the production method of the present disclosure, a porous gas diffusion layer which is a sintered metal porous body is produced by sintering a mixture containing the above-mentioned metal material particles and a foaming agent. It is possible to obtain a gas diffusion composite layer provided with a porous gas diffusion layer having fine pores formed by a foaming agent as a whole.
Therefore, in the fuel cell to which the gas diffusion composite layer produced by the production method of the present disclosure is applied, the catalyst layer of the gas supplied from the gas flow path through the pores of the porous gas diffusion layer formed by the foaming agent. Diffusion into the gas flow path and drainage of the water generated in the catalyst layer to the gas flow path are performed.
That is, according to the manufacturing method of the present disclosure, a gas diffusion composite layer having no bridge 612 (see FIG. 10B) can be obtained. Therefore, when the gas diffusion composite layer is applied to a fuel cell, each gas flow It is possible to provide a gas diffusion composite layer capable of suppressing the phenomenon that a part or all of the opening of the road is blocked.
Therefore, according to the manufacturing method of the present disclosure, when applied to a fuel cell, a phenomenon that the gas flow path from the gas flow path to the catalyst layer via the gas diffusion composite layer is blocked, and the catalyst layer It is possible to suppress the phenomenon that the flow path from the water generated in the above to the gas flow path via the gas diffusion composite layer is blocked, and it is a simple structure consisting of pores formed in the entire porous gas diffusion layer. It is possible to diffuse the gas supplied from the gas flow path to the catalyst layer and drain the water generated in the catalyst layer to the gas flow path.

また、本開示の製造方法によれば、金属材料粒子と発泡剤とを含む混合物を焼結させることにより、発泡剤により形成された細孔を層全体に有する多孔質ガス拡散層を作製し、当該多孔質ガス拡散層の表面に、微細多孔質層を形成する。そのため、例えば図10に示すような、金属材料の化学エッチングにより形成された細孔611を有する多孔質金属ガス拡散層61の表面に微細多孔質層62を形成する場合と比較して、多孔質ガス拡散層の各細孔の全てに、微細多孔質層形成用材料が浸透する現象が生じ難く、当該多孔質ガス拡散層の細孔の全てが微細多孔質層により略完全に充填された状態(例えば、図10(b)参照。)となるのを抑制することができる。
従って、当該多孔質ガス拡散層のガス拡散抵抗の増大を抑制することができ、燃料電池に適用したときに、高い発電性能を得られるガス拡散複合層を得ることができる。
Further, according to the production method of the present disclosure, by sintering a mixture containing metal material particles and a foaming agent, a porous gas diffusion layer having pores formed by the foaming agent in the entire layer is produced. A fine porous layer is formed on the surface of the porous gas diffusion layer. Therefore, as compared with the case where the fine porous layer 62 is formed on the surface of the porous metal gas diffusion layer 61 having pores 611 formed by chemical etching of a metal material, for example, as shown in FIG. 10, it is porous. The phenomenon that the material for forming a fine porous layer permeates into all the pores of the gas diffusion layer is unlikely to occur, and all the pores of the porous gas diffusion layer are almost completely filled with the fine porous layer. (For example, see FIG. 10 (b).) Can be suppressed.
Therefore, it is possible to suppress an increase in the gas diffusion resistance of the porous gas diffusion layer, and it is possible to obtain a gas diffusion composite layer capable of obtaining high power generation performance when applied to a fuel cell.

なお、本開示において、多孔質ガス拡散層とは、例えば平均細孔径が10〜100μmの範囲にあるものをいい、微細多孔質層とは、例えば平均細孔径が0.1〜2.0μmの範囲にあるものをいうものとすることができる。
本開示においては、平均細孔径とは、水銀圧入法により測定した累積細孔分布の50%における数平均細孔径(P50)を意味する。
In the present disclosure, the porous gas diffusion layer means, for example, a layer having an average pore diameter in the range of 10 to 100 μm, and the fine porous layer means, for example, an average pore diameter of 0.1 to 2.0 μm. It can be anything that is in range.
In the present disclosure, the average pore diameter means the number average pore diameter (P50) at 50% of the cumulative pore distribution measured by the mercury intrusion method.

ガス拡散複合層のガス拡散抵抗は、80s/m以下であることが好ましく、60s/m以下であることがより好ましい。
ガス拡散複合層のガス拡散抵抗を80s/m以下とすることで、当該ガス拡散複合層を燃料電池に適用したときに、ガス流路から供給されたガスをガス拡散複合層中に均一に拡散させることができ、発電性能の良好な燃料電池を得ることができる。
ガス拡散抵抗とは、ガスの拡散困難性を示す指標値である。本開示において、ガス拡散抵抗は、公知の方法により測定することができる。
The gas diffusion resistance of the gas diffusion composite layer is preferably 80 s / m or less, and more preferably 60 s / m or less.
By setting the gas diffusion resistance of the gas diffusion composite layer to 80 s / m or less, when the gas diffusion composite layer is applied to a fuel cell, the gas supplied from the gas flow path is uniformly diffused into the gas diffusion composite layer. It is possible to obtain a fuel cell having good power generation performance.
The gas diffusion resistance is an index value indicating the difficulty of gas diffusion. In the present disclosure, the gas diffusion resistance can be measured by a known method.

図3は、本開示の製造方法により製造されたガス拡散複合層を適用した燃料電池の層構成の一例を示す図であって、積層方向に切断した断面を模式的に示した図である。燃料電池100は、水素イオン伝導性を有する固体高分子電解質膜(以下、単に電解質膜ということがある)101と、前記電解質膜101を挟んだ一対のアノード電極106及びカソード電極107とでなる膜・電極接合体108を含み、さらに前記膜・電極接合体108を電極の外側から挟んだ一対のアノード側セパレータ109及びカソード側セパレータ110とでなる。セパレータと電極の境界にはガス流路111及び112が確保され、アノード側では水素ガスに代表される燃料が、カソード側では酸素を含むガス(通常は空気)がそれぞれ連続的に供給される。通常は電極として、電解質膜側から順に触媒層とガス拡散層とを積層して構成されたものが用いられる。すなわち、アノード電極106はアノード触媒層102とアノード側ガス拡散層104とを積層したものからなり、カソード電極107はカソード触媒層103とカソード側ガス拡散層105とを積層したものからなる。
アノード側ガス拡散層104及びカソード側ガス拡散層105として、本開示の製造方法により製造されたガス拡散複合層を適用する。
FIG. 3 is a diagram showing an example of a layer structure of a fuel cell to which a gas diffusion composite layer produced by the production method of the present disclosure is applied, and is a diagram schematically showing a cross section cut in the stacking direction. The fuel cell 100 is a film composed of a solid polymer electrolyte membrane having hydrogen ion conductivity (hereinafter, may be simply referred to as an electrolyte membrane) 101, and a pair of anode electrodes 106 and cathode electrodes 107 sandwiching the electrolyte membrane 101. A pair of anode-side separators 109 and cathode-side separators 110 that include the electrode-bonded body 108 and further sandwich the film-electrode-bonded body 108 from the outside of the electrode. Gas flow paths 111 and 112 are secured at the boundary between the separator and the electrode, and fuel typified by hydrogen gas is continuously supplied on the anode side, and oxygen-containing gas (usually air) is continuously supplied on the cathode side. Usually, as an electrode, one configured by laminating a catalyst layer and a gas diffusion layer in order from the electrolyte membrane side is used. That is, the anode electrode 106 is composed of the anode catalyst layer 102 and the anode side gas diffusion layer 104 laminated, and the cathode electrode 107 is composed of the cathode catalyst layer 103 and the cathode side gas diffusion layer 105 laminated.
As the anode-side gas diffusion layer 104 and the cathode-side gas diffusion layer 105, the gas diffusion composite layer produced by the production method of the present disclosure is applied.

アノード触媒層に含まれるアノード触媒としては、触媒成分を導電性粒子に担持させたものが用いられる。触媒成分としては、アノード触媒層に供給される燃料の酸化反応を触媒する成分であれば特に限定されず、例えば、白金等が用いられる。触媒担体である導電性粒子としては、カーボンブラック等の炭素粒子等が用いられる。 As the anode catalyst contained in the anode catalyst layer, a catalyst component supported on conductive particles is used. The catalyst component is not particularly limited as long as it is a component that catalyzes the oxidation reaction of the fuel supplied to the anode catalyst layer, and for example, platinum or the like is used. As the conductive particles as the catalyst carrier, carbon particles such as carbon black are used.

カソード触媒層に含まれるカソード触媒としては、触媒成分を導電性粒子に担持させたものが用いられる。触媒成分としては、例えば、白金等が用いられる。触媒担体である導電性粒子としては、カーボンブラック等の炭素粒子等が用いられる。 As the cathode catalyst contained in the cathode catalyst layer, one in which a catalyst component is supported on conductive particles is used. As the catalyst component, for example, platinum or the like is used. As the conductive particles as the catalyst carrier, carbon particles such as carbon black are used.

電解質膜は、通常、アノード触媒層とカソード触媒層との間に存在する層である。電解質膜を介して、アノード触媒層とカソード触媒層との間にイオンが伝導する。
電解質膜の材料は、燃料電池に通常使用されるものであれば特に限定されず、例えば、ナフィオン(登録商標、デュポン社製)膜などのパーフルオロカーボンスルホン酸膜等が挙げられる。
The electrolyte membrane is usually a layer existing between the anode catalyst layer and the cathode catalyst layer. Ions are conducted between the anode catalyst layer and the cathode catalyst layer via the electrolyte membrane.
The material of the electrolyte membrane is not particularly limited as long as it is usually used for a fuel cell, and examples thereof include a perfluorocarbon sulfonic acid membrane such as a Nafion (registered trademark, manufactured by DuPont) membrane.

アノード触媒層、カソード触媒層、カソード側ガス拡散層、アノード側ガス拡散層及び電解質膜を含む膜・電極接合体の外側に、さらにセパレータが設けられていてもよい。 A separator may be further provided on the outside of the membrane / electrode assembly including the anode catalyst layer, the cathode catalyst layer, the cathode side gas diffusion layer, the anode side gas diffusion layer, and the electrolyte membrane.

アノード側セパレータ及びカソード側セパレータは、ガス遮断性及び電子伝導性を有する部材によって形成されており、例えばカーボンを圧縮してガス不透過とした緻密性カーボンなどのカーボン部材や、プレス成型したステンレス鋼などの金属部材によって形成されている。 The anode-side separator and the cathode-side separator are formed of a member having gas-blocking property and electron conductivity. For example, a carbon member such as dense carbon obtained by compressing carbon to make it gas-impermeable, or press-molded stainless steel. It is formed of metal members such as.

燃料電池の製造方法の一例を以下説明する。まず、電解質膜の一方の面にアノード触媒層を形成し、電解質膜の他方の面にカソード触媒層を形成する。次に、得られた接合体について、アノード触媒層に面する側にアノード側ガス拡散層及びアノード側セパレータを配置し、カソード触媒層に面する側にカソード側ガス拡散層及びカソード側セパレータを配置することによって、燃料電池が完成する。 An example of a method for manufacturing a fuel cell will be described below. First, an anode catalyst layer is formed on one surface of the electrolyte membrane, and a cathode catalyst layer is formed on the other surface of the electrolyte membrane. Next, with respect to the obtained conjugate, the anode side gas diffusion layer and the anode side separator are arranged on the side facing the anode catalyst layer, and the cathode side gas diffusion layer and the cathode side separator are arranged on the side facing the cathode catalyst layer. By doing so, the fuel cell is completed.

[参考実験例1]
1.ガス拡散複合層(1)の作製
1)多孔質ガス拡散層(焼結金属多孔体)の作製
金属材料粒子(チタンの粒子、平均粒径(D50)100μm)と、発泡剤として炭酸水素ナトリウムと、水系バインダーとしてポリビニールアルコールとを混合することにより、多孔質ガス拡散層形成用の混合物1を調製した(工程I−1)。
[Reference Experiment Example 1]
1. 1. Preparation of gas diffusion composite layer (1) 1) Preparation of porous gas diffusion layer (sintered metal porous body) Metal material particles (titanium particles, average particle size (D50) 100 μm) and sodium hydrogen carbonate as a foaming agent , A mixture 1 for forming a porous gas diffusion layer was prepared by mixing with polyvinyl alcohol as an aqueous binder (step I-1).

次に、混合物1を型に充填して成形し、成形体の厚みを均一にして表面を平滑化した後、加熱することで発泡剤を発泡させ、発泡スラリー1を得た(工程(I−2))。 Next, the mixture 1 was filled in a mold and molded to make the thickness of the molded product uniform and the surface smoothed, and then the foaming agent was foamed by heating to obtain a foamed slurry 1 (step (I-). 2)).

次に、工程(I−2)で得られた発泡スラリー1を乾燥させ、次いで、真空条件下、焼成して焼結させて、焼結金属多孔体である多孔質ガス拡散層を得た(工程(I−3))。 Next, the foamed slurry 1 obtained in step (I-2) was dried, and then fired and sintered under vacuum conditions to obtain a porous gas diffusion layer which is a sintered metal porous body (I-2). Step (I-3)).

次に、工程(I−3)で作製した多孔質ガス拡散層を所望の大きさに切断し、厚さAの多孔質ガス拡散層(1)を得た(工程(I−4))。 Next, the porous gas diffusion layer produced in the step (I-3) was cut to a desired size to obtain a porous gas diffusion layer (1) having a thickness A (step (I-4)).

次に、工程(I−4)で得られた多孔質ガス拡散層(1)が、所望の物性値を満たしているか否かを検査する検査工程を行った(工程(I−5))。
多孔質ガス拡散層(1)の空隙率は50%であり、曲げ弾性率は50GPaであった。
Next, an inspection step of inspecting whether or not the porous gas diffusion layer (1) obtained in the step (I-4) satisfies the desired physical property values was performed (step (I-5)).
The porosity of the porous gas diffusion layer (1) was 50%, and the flexural modulus was 50 GPa.

2)微細多孔質層の形成
微細多孔質層形成用材料は、カーボン粉末と、界面活性剤(Sigma−Aldrich製TRITON X−114)と、PTFEとを用意し、混合することにより調製した。
得られた微細多孔質層形成用材料を多孔質ガス拡散層(1)の片面上に配置して乾燥させ、厚さAの多孔質ガス拡散層(1)上に厚さBの表面被覆部を有する微細多孔質層(1)を備えるガス拡散複合層(1)を得た。微細多孔質層(1)の空隙率は50%であった。
ガス拡散複合層(1)の各層の厚さを、表1に示す。
なお、表1及び後述する表2〜3において、多孔質ガス拡散層のうち微細多孔質層による充填領域を有しない領域を、便宜的に「GDL」と示し、多孔質ガス拡散層のうち微細多孔質層による充填領域を有する領域を、便宜的に「GDL+MPL」と示し、微細多孔質層のうち表面被覆部である領域を、便宜的に「MPL」と示す。また、表1〜3中「B」は、「A/2」に相当する厚さである。また、表1〜3中「‐」は、対象領域が存在しないことを示す。
2) Formation of Microporous Layer The material for forming the microporous layer was prepared by preparing carbon powder, a surfactant (TRITON X-114 manufactured by Sigma-Aldrich), and PTFE and mixing them.
The obtained material for forming a fine porous layer is placed on one side of the porous gas diffusion layer (1) and dried, and the surface coating portion of thickness B is placed on the porous gas diffusion layer (1) of thickness A. A gas diffusion composite layer (1) including the fine porous layer (1) having the above was obtained. The porosity of the fine porous layer (1) was 50%.
The thickness of each layer of the gas diffusion composite layer (1) is shown in Table 1.
In Table 1 and Tables 2 to 3 described later, the region of the porous gas diffusion layer that does not have a filling region by the fine porous layer is referred to as "GDL" for convenience, and is fine in the porous gas diffusion layer. The region having the filling region by the porous layer is conveniently referred to as "GDL + MPL", and the region of the fine porous layer which is the surface coating portion is conveniently referred to as "MPL". Further, "B" in Tables 1 to 3 is a thickness corresponding to "A / 2". In addition, "-" in Tables 1 to 3 indicates that the target area does not exist.

2.ガス拡散複合層(2)の作製
多孔質ガス拡散層(1)と同様の方法で得た厚さAの多孔質ガス拡散層(2)の表面に、微細多孔質層形成用材料をドクターブレード法により塗布した後、多孔質ガス拡散層(2)の深さA/2まで当該微細多孔質層形成用材料を浸透させ、さらに、多孔質ガス拡散層(2)の当該微細多孔質層形成用材料を浸透させた表面に微細多孔質層形成用材料を塗布して乾燥させ、厚さA/2の充填領域及び厚さB/2の表面被覆部を有する微細多孔質層(2)を形成し、厚さAの多孔質ガス拡散層(2)と、厚さA/2の充填領域及び厚さB/2の表面被覆部を有する微細多孔質層(2)とを備えるガス拡散複合層(2)を得た。微細多孔質層(2)の表面被覆部の空隙率は50%であった。
ガス拡散複合層(2)の各層の厚さを、表1に示す。
図4は、参考実験例1で作製したガス拡散複合層(2)の層構成を説明するための概略断面図である。
なお、図4中符号Cは、多孔質ガス拡散層のうち微細多孔質層による充填領域を有する領域(GDL+MPL)の厚さを示す。
2. 2. Preparation of Gas Diffusion Composite Layer (2) A material for forming a fine porous layer is applied to the surface of the porous gas diffusion layer (2) having a thickness A obtained by the same method as that of the porous gas diffusion layer (1). After coating by the method, the material for forming the fine porous layer is infiltrated to the depth A / 2 of the porous gas diffusion layer (2), and further, the fine porous layer is formed in the porous gas diffusion layer (2). A material for forming a fine porous layer is applied to a surface impregnated with the material for use and dried to obtain a fine porous layer (2) having a filling region having a thickness of A / 2 and a surface coating portion having a thickness of B / 2. A gas diffusion composite formed and comprising a porous gas diffusion layer (2) having a thickness A and a fine porous layer (2) having a filling region having a thickness A / 2 and a surface coating portion having a thickness B / 2. Layer (2) was obtained. The porosity of the surface coating portion of the fine porous layer (2) was 50%.
The thickness of each layer of the gas diffusion composite layer (2) is shown in Table 1.
FIG. 4 is a schematic cross-sectional view for explaining the layer structure of the gas diffusion composite layer (2) produced in Reference Experimental Example 1.
Reference numeral C in FIG. 4 indicates the thickness of a region (GDL + MPL) of the porous gas diffusion layer having a filling region by the fine porous layer.

3.ガス拡散複合層(3)の作製
多孔質ガス拡散層(1)と同様の方法で得た厚さAの多孔質ガス拡散層(3)の深さAまで微細多孔質層形成用材料を浸透させ、さらに、多孔質ガス拡散層(3)の一面上に微細多孔質層形成用材料を塗布して乾燥させることにより、厚さAの多孔質ガス拡散層(3)と、厚さAの充填領域及び厚さB/2の表面被覆部を有する微細多孔質層(3)とを備えるガス拡散複合層(3)を得た。微細多孔質層(3)の表面被覆部の空隙率は50%であった。
ガス拡散複合層(3)の各層の厚さを、表1に示す。
3. 3. Preparation of Gas Diffusion Composite Layer (3) The material for forming a fine porous layer is infiltrated to the depth A of the porous gas diffusion layer (3) having a thickness A obtained by the same method as the porous gas diffusion layer (1). Then, a material for forming a fine porous layer is applied on one surface of the porous gas diffusion layer (3) and dried to obtain the porous gas diffusion layer (3) having a thickness A and the thickness A. A gas diffusion composite layer (3) including a packed region and a fine porous layer (3) having a surface coating portion having a thickness of B / 2 was obtained. The porosity of the surface coating portion of the fine porous layer (3) was 50%.
The thickness of each layer of the gas diffusion composite layer (3) is shown in Table 1.

[参考実験例2]
4.ガス拡散複合層(4)の作製
1)多孔質ガス拡散層(焼結金属多孔体)の作製
厚さがA/2であること以外は多孔質ガス拡散層(1)と同様の方法で多孔質ガス拡散層(4)を得た。
多孔質ガス拡散層(4)の空隙率は50%であり、曲げ弾性率は35GPaであった。
[Reference Experiment Example 2]
4. Preparation of gas diffusion composite layer (4) 1) Preparation of porous gas diffusion layer (porous metal sintered body) Porous by the same method as the porous gas diffusion layer (1) except that the thickness is A / 2. A quality gas diffusion layer (4) was obtained.
The porosity of the porous gas diffusion layer (4) was 50%, and the flexural modulus was 35 GPa.

2)微細多孔質層の形成
多孔質ガス拡散層(4)の一面上に参考実験例1と同様の方法で得た微細多孔質層形成用材料を配置して乾燥させることにより、厚さA/2の多孔質ガス拡散層(4)と、厚さBの表面被覆部を有する微細多孔質層(4)とを備えるガス拡散複合層(4)を得た。微細多孔質層(4)の空隙率は50%であった。
ガス拡散複合層(4)の各層の厚さを、表2に示す。
2) Formation of a fine porous layer A material for forming a fine porous layer obtained by the same method as in Reference Experimental Example 1 is placed on one surface of the porous gas diffusion layer (4) and dried to obtain a thickness A. A gas diffusion composite layer (4) including a / 2 porous gas diffusion layer (4) and a fine porous layer (4) having a surface coating portion having a thickness B was obtained. The porosity of the fine porous layer (4) was 50%.
The thickness of each layer of the gas diffusion composite layer (4) is shown in Table 2.

5.ガス拡散複合層(5)の作製
多孔質ガス拡散層(4)と同様の方法で得た厚さA/2の多孔質ガス拡散層(5)の深さA/2まで、参考実験例1と同様の方法で得た微細多孔質層形成用材料を浸透させ、さらに、多孔質ガス拡散層(5)の微細多孔質層形成用材料を浸透させた表面上に微細多孔質層形成用材料を塗布して乾燥させることにより、厚さA/2の多孔質ガス拡散層(5)と、厚さA/2の充填領域及び厚さB/2の表面被覆部とを有する微細多孔質層(5)とを備えるガス拡散複合層(5)を得た。微細多孔質層(5)の表面被覆部の空隙率は50%であった。
ガス拡散複合層(5)の各層の厚さを、表2に示す。
図5は、参考実験例2で作製したガス拡散複合層(5)の層構成を説明するための概略断面図である。
なお、図5中符号Cは、多孔質ガス拡散層のうち微細多孔質層による充填領域を有する領域(GDL+MPL)の厚さを示す。
5. Preparation of Gas Diffusion Composite Layer (5) Reference Experimental Example 1 up to the depth A / 2 of the porous gas diffusion layer (5) having a thickness of A / 2 obtained by the same method as the porous gas diffusion layer (4). The material for forming a fine porous layer was impregnated with the material for forming a fine porous layer obtained by the same method as in A fine porous layer having a porous gas diffusion layer (5) having a thickness of A / 2, a filling region having a thickness of A / 2, and a surface covering portion having a thickness of B / 2 by applying and drying. A gas diffusion composite layer (5) comprising (5) was obtained. The porosity of the surface coating portion of the fine porous layer (5) was 50%.
The thickness of each layer of the gas diffusion composite layer (5) is shown in Table 2.
FIG. 5 is a schematic cross-sectional view for explaining the layer structure of the gas diffusion composite layer (5) produced in Reference Experimental Example 2.
Reference numeral C in FIG. 5 indicates the thickness of a region (GDL + MPL) of the porous gas diffusion layer having a filling region by the fine porous layer.

[参考実験例3]
6.ガス拡散複合層(6)の作製
1)多孔質ガス拡散層(焼結金属多孔体)の作製
焼結処理後に得られる多孔質ガス拡散層の厚さがA/2、空隙率が75%となるようにしたこと以外は、参考実験例1と同様にして、多孔質ガス拡散層(6)を得た。
多孔質ガス拡散層(6)の空隙率は75%であり、曲げ弾性率は20GPaであった。
[Reference Experiment Example 3]
6. Preparation of gas diffusion composite layer (6) 1) Preparation of porous gas diffusion layer (sintered metal porous body) The thickness of the porous gas diffusion layer obtained after the sintering treatment is A / 2, and the porosity is 75%. A porous gas diffusion layer (6) was obtained in the same manner as in Reference Experimental Example 1 except that the above was achieved.
The porosity of the porous gas diffusion layer (6) was 75%, and the flexural modulus was 20 GPa.

2)微細多孔質層の形成
厚さA/2の多孔質ガス拡散層(6)の一面上に微細多孔質層形成用材料を配置して乾燥させることにより、厚さA/2の多孔質ガス拡散層(6)と、厚さBの表面被覆部を有する微細多孔質層(6)とを備えるガス拡散複合層(6)を得た。微細多孔質層(6)の空隙率は50%であった。
ガス拡散複合層(6)の各層の厚さを、表3に示す。
2) Formation of a fine porous layer By arranging a material for forming a fine porous layer on one surface of a porous gas diffusion layer (6) having a thickness of A / 2 and drying it, a porous layer having a thickness of A / 2 is formed. A gas diffusion composite layer (6) including a gas diffusion layer (6) and a fine porous layer (6) having a surface coating portion having a thickness B was obtained. The porosity of the fine porous layer (6) was 50%.
The thickness of each layer of the gas diffusion composite layer (6) is shown in Table 3.

7.ガス拡散複合層(7)の作製
多孔質ガス拡散層(6)と同様の方法で得た厚さA/2の多孔質ガス拡散層(7)の深さA/2まで参考実験例1と同様の方法で得た微細多孔質層形成用材料を浸透させ、さらに、多孔質ガス拡散層(7)の微細多孔質層形成用材料を浸透させた表面上に微細多孔質層形成用材料を塗布して乾燥させることにより、厚さA/2の多孔質ガス拡散層(7)と、厚さA/2の充填領域及び厚さB/2の表面被覆部を有する微細多孔質層(7)とを備えるガス拡散複合層(7)を得た。微細多孔質層(7)の表面被覆部の空隙率は50%であった。
ガス拡散複合層(7)の各層の厚さを、表3に示す。
7. Preparation of Gas Diffusion Composite Layer (7) Reference Experimental Example 1 and up to depth A / 2 of a porous gas diffusion layer (7) with a thickness of A / 2 obtained by the same method as the porous gas diffusion layer (6) The fine porous layer forming material obtained by the same method was impregnated, and the fine porous layer forming material was further impregnated on the surface of the porous gas diffusion layer (7) in which the fine porous layer forming material was impregnated. By applying and drying, a fine porous layer (7) having a porous gas diffusion layer (7) having a thickness of A / 2 and a filling region having a thickness of A / 2 and a surface coating portion having a thickness of B / 2 ), A gas diffusion composite layer (7) was obtained. The porosity of the surface coating portion of the fine porous layer (7) was 50%.
The thickness of each layer of the gas diffusion composite layer (7) is shown in Table 3.

[評価方法]
(ガス拡散抵抗の測定)
ガス拡散複合層(1)〜(7)について、ガス拡散抵抗の測定を行った。
ガス拡散抵抗の測定は、ガス拡散複合層(1)〜(7)の多孔質ガス拡散層(1)〜(7)のうち微細多孔質層による充填領域を有しない領域(GDL)、ガス拡散複合層(1)〜(7)の多孔質ガス拡散層(1)〜(7)のうち微細多孔質層による充填領域を有する領域(GDL+MPL)、及びガス拡散複合層(1)〜(7)の微細多孔質層(1)〜(7)のうちの表面被覆部(MPL)について、それぞれ行った。
[Evaluation methods]
(Measurement of gas diffusion resistance)
The gas diffusion resistance was measured for the gas diffusion composite layers (1) to (7).
The gas diffusion resistance is measured in the regions (GDL) of the porous gas diffusion layers (1) to (7) of the gas diffusion composite layers (1) to (7) that do not have a filling region due to the fine porous layer, and gas diffusion. Of the porous gas diffusion layers (1) to (7) of the composite layers (1) to (7), a region (GDL + MPL) having a filling region by the fine porous layer, and the gas diffusion composite layers (1) to (7). The surface coating portion (MPL) of the fine porous layers (1) to (7) of the above was performed.

ガス拡散抵抗の測定は、具体的には以下のようにして行った。
45℃、165%RH、低酸素濃度(酸素濃度:1%)、測定装置(株式会社東陽テクニカ製装置)の条件下において、ガス拡散複合層の各層及び各部のI−V測定を実施し、限界電流密度から次式より算出される値をガス拡散抵抗とした。
total=PO2/(Ilim/4F)×RT
式中、Rtotal:ガス拡散抵抗、Ilim:限界電流密度、F:ファラデー定数、R:気体定数、T:絶対温度、PO2:酸素分圧である。
Specifically, the gas diffusion resistance was measured as follows.
Under the conditions of 45 ° C., 165% RH, low oxygen concentration (oxygen concentration: 1%), and measuring device (equipment manufactured by Toyo Technica Co., Ltd.), IV measurement of each layer and each part of the gas diffusion composite layer was performed. The value calculated from the following equation from the critical current density was defined as the gas diffusion resistance.
R total = PO2 / ( Ilim / 4F) × RT
In the formula, R total : gas diffusion resistance, Ilim : limit current density, F: Faraday constant, R: gas constant, T: absolute temperature, PO2 : oxygen partial pressure.

(評価)
図6〜8は、ガス拡散複合層(1)〜(7)のガス拡散抵抗の測定結果を示す図である。
なお、図6(a)〜図8(a)は、ガス拡散複合層(1)〜(7)のガス拡散抵抗の測定値を示したものであり、それぞれ、多孔質ガス拡散層(1)〜(7)のうち微細多孔質層による充填領域を有しない領域(GDL)についての測定値、多孔質ガス拡散層(1)〜(7)のうち微細多孔質層による充填領域を有する領域(GDL+MPL)についての測定値、及び微細多孔質層(1)〜(7)のうちの表面被覆部(MPL)についての測定値に分けて示している。
また、図6(b)〜図8(b)は、多孔質ガス拡散層(1)〜(7)のうち微細多孔質層による充填領域を有しない領域(GDL)、多孔質ガス拡散層(1)〜(7)のうち微細多孔質層による充填領域を有する領域(GDL+MPL)、及び微細多孔質層(1)〜(7)のうちの表面被覆部(MPL)のそれぞれについて、同一の構成材料で作製した層の厚さとガス拡散抵抗との関係を示す図である。
(Evaluation)
6 to 8 are diagrams showing the measurement results of the gas diffusion resistance of the gas diffusion composite layers (1) to (7).
6 (a) to 8 (a) show the measured values of the gas diffusion resistance of the gas diffusion composite layers (1) to (7), and each of them is a porous gas diffusion layer (1). Measured values for a region (GDL) having no filling region with a fine porous layer among (7), and a region having a filling region with a fine porous layer among the porous gas diffusion layers (1) to (7) (7) The measured values for GDL + MPL) and the measured values for the surface coating portion (MPL) of the fine porous layers (1) to (7) are shown separately.
Further, FIGS. 6 (b) to 8 (b) show a region (GDL) of the porous gas diffusion layers (1) to (7) that does not have a filling region due to the fine porous layer, and a porous gas diffusion layer (GDL). The same configuration is used for each of the region (GDL + MPL) having a filling region by the microporous layer among 1) to (7) and the surface covering portion (MPL) of the microporous layers (1) to (7). It is a figure which shows the relationship between the thickness of the layer made from a material, and the gas diffusion resistance.

図6に示すように、ガス拡散複合層(1)の多孔質ガス拡散層(1)は微細多孔質層(1)による充填領域(GDL+MPL)を有しないため、ガス拡散複合層(1)全体としてのガス拡散抵抗が、概ね80s/mに止まっていた。
一方、ガス拡散複合層(2)の多孔質ガス拡散層(2)は、全体の厚さAの1/2の厚さの領域が、微細多孔質層(2)により充填されており(GDL+MPL)、当該領域のガス拡散抵抗は、ガス拡散複合層(1)の多孔質ガス拡散層(1)のガス拡散抵抗と比較して増大していた。従って、ガス拡散複合層(1)全体としてのガス拡散抵抗は、80s/mを超えるが所望の値に留めることができ、剛性と、ガス拡散性及び排水性とを両立することができた。
また、ガス拡散複合層(3)の多孔質ガス拡散層(3)は、その全域が微細多孔質層(3)により充填されており(GDL+MPL)、当該領域のガス拡散抵抗は、ガス拡散複合層(1)の多孔質ガス拡散層(1)のガス拡散抵抗と比較して、増大していたが所望の値に留めることができ、剛性と、ガス拡散性及び排水性とを両立することができた。
以上の結果から、多孔質ガス拡散層の空隙率が50%の場合、当該多孔質ガス拡散層の全域を微細多孔質層により充填すると、ガス拡散抵抗が増加するが、所望の値に留めることができ、剛性と、ガス拡散性及び排水性とを両立することができることが明らかとなった。
一方、例えば図10に示すような、金属材料の化学エッチングにより形成した細孔を有する多孔質金属ガス拡散層61は、一般に、参考実験例1で使用した多孔質ガス拡散層と同程度の空隙率(概ね50%程度)しか有しないため、当該多孔質ガス拡散層61の全域に微細多孔質層形成用材料が浸透することにより、当該多孔質ガス拡散層61を有するガス拡散複合層のガス拡散抵抗はガス拡散複合層(3)と比較して大幅に増大すると推定される。
As shown in FIG. 6, since the porous gas diffusion layer (1) of the gas diffusion composite layer (1) does not have a filling region (GDL + MPL) due to the fine porous layer (1), the entire gas diffusion composite layer (1) The gas diffusion resistance of the gas was about 80 s / m.
On the other hand, in the porous gas diffusion layer (2) of the gas diffusion composite layer (2), a region having a thickness of 1/2 of the total thickness A is filled with the fine porous layer (2) (GDL + MPL). ), The gas diffusion resistance in the region was increased as compared with the gas diffusion resistance of the porous gas diffusion layer (1) of the gas diffusion composite layer (1). Therefore, the gas diffusion resistance of the gas diffusion composite layer (1) as a whole exceeds 80 s / m, but can be kept at a desired value, and both rigidity, gas diffusivity and drainage property can be achieved at the same time.
Further, the entire area of the porous gas diffusion layer (3) of the gas diffusion composite layer (3) is filled with the fine porous layer (3) (GDL + MPL), and the gas diffusion resistance in the region is the gas diffusion composite. Compared with the gas diffusion resistance of the porous gas diffusion layer (1) of the layer (1), it was increased but can be kept at a desired value, and both rigidity, gas diffusion property and drainage property are compatible. Was done.
From the above results, when the porosity of the porous gas diffusion layer is 50%, if the entire area of the porous gas diffusion layer is filled with the fine porous layer, the gas diffusion resistance increases, but it should be kept at a desired value. It was clarified that both rigidity and gas diffusivity and drainage property can be achieved.
On the other hand, for example, as shown in FIG. 10, the porous metal gas diffusion layer 61 having pores formed by chemical etching of a metal material generally has voids similar to those of the porous gas diffusion layer used in Reference Experimental Example 1. Since it has only a ratio (about 50%), the gas of the gas diffusion composite layer having the porous gas diffusion layer 61 is caused by the permeation of the material for forming the fine porous layer into the entire area of the porous gas diffusion layer 61. It is estimated that the diffusion resistance is significantly increased as compared with the gas diffusion composite layer (3).

図7に示すように、ガス拡散複合層(4)の多孔質ガス拡散層(4)は、参考実験例1のガス拡散複合層(1)の多孔質ガス拡散層(1)の厚さAの1/2の厚さとされており、当該多孔質ガス拡散層(4)は微細多孔質層(4)による充填領域を有しないため、ガス拡散複合層(4)全体としてのガス拡散抵抗は、80s/mを下回っていた。
一方、ガス拡散複合層(5)の多孔質ガス拡散層(5)は、その全域が微細多孔質層(5)により充填されており(GDL+MPL)、当該領域のガス拡散抵抗は、ガス拡散複合層(4)の多孔質ガス拡散層(4)のガス拡散抵抗と比較して増大しているものの、その増大幅は、参考実験例1における多孔質ガス拡散層(3)の微細多孔質層(3)による充填領域(GDL+MPL)のガス拡散抵抗の増大幅と比較して、大幅に低減されていた。
以上の結果から、多孔質ガス拡散層の厚さを低減した場合には、当該多孔質ガス拡散層の全域を微細多孔質層で充填した場合でも、多孔質ガス拡散層におけるガス拡散抵抗の増大幅を抑制できることが分かる。
As shown in FIG. 7, the porous gas diffusion layer (4) of the gas diffusion composite layer (4) has a thickness A of the porous gas diffusion layer (1) of the gas diffusion composite layer (1) of Reference Experimental Example 1. Since the porous gas diffusion layer (4) does not have a filling region due to the fine porous layer (4), the gas diffusion resistance of the gas diffusion composite layer (4) as a whole is halved. , 80 s / m or less.
On the other hand, the entire area of the porous gas diffusion layer (5) of the gas diffusion composite layer (5) is filled with the fine porous layer (5) (GDL + MPL), and the gas diffusion resistance in the region is the gas diffusion composite. Although it is increased as compared with the gas diffusion resistance of the porous gas diffusion layer (4) of the layer (4), the increase width is the fine porous layer of the porous gas diffusion layer (3) in Reference Experimental Example 1. Compared with the increase width of the gas diffusion resistance of the filling region (GDL + MPL) according to (3), it was significantly reduced.
From the above results, when the thickness of the porous gas diffusion layer is reduced, the gas diffusion resistance in the porous gas diffusion layer is increased even when the entire area of the porous gas diffusion layer is filled with the fine porous layer. It can be seen that it can be significantly suppressed.

図8に示すように、ガス拡散複合層(6)の多孔質ガス拡散層(6)は、参考実験例1のガス拡散複合層(1)の多孔質ガス拡散層(1)の厚さAの1/2の厚さであり、また、当該多孔質ガス拡散層(6)の空隙率は75%と、参考実験例1の多孔質ガス拡散層(1)の空隙率より高い値とされている。当該ガス拡散複合層(6)の多孔質ガス拡散層(6)は、微細多孔質層(6)による充填領域を有しないため、ガス拡散複合層(6)全体としてのガス拡散抵抗は、80s/mを下回っていた。
一方、ガス拡散複合層(7)の多孔質ガス拡散層(7)は、その全域が微細多孔質層(7)により充填されており、当該多孔質ガス拡散層(7)のガス拡散抵抗は、ガス拡散複合層(6)の多孔質ガス拡散層(6)のガス拡散抵抗と比較して増大しているものの、その増大幅は、参考実験例2における多孔質ガス拡散層(5)の微細多孔質層(5)による充填領域(GDL+MPL)のガス拡散抵抗の増大幅と比較して、さらに低減されており、ガス拡散複合層(7)全体としてのガス拡散抵抗は、80s/mを下回っていた。
以上の結果から、多孔質ガス拡散層の空隙率が75%以上の場合には、当該多孔質ガス拡散層の全域を微細多孔質層で充填した場合でも、多孔質ガス拡散層におけるガス拡散抵抗の増大幅を抑制できることが分かる。
As shown in FIG. 8, the porous gas diffusion layer (6) of the gas diffusion composite layer (6) has a thickness A of the porous gas diffusion layer (1) of the gas diffusion composite layer (1) of Reference Experimental Example 1. The porosity of the porous gas diffusion layer (6) is 75%, which is higher than the porosity of the porous gas diffusion layer (1) of Reference Experimental Example 1. ing. Since the porous gas diffusion layer (6) of the gas diffusion composite layer (6) does not have a filling region formed by the fine porous layer (6), the gas diffusion resistance of the gas diffusion composite layer (6) as a whole is 80 s. It was below / m.
On the other hand, the entire area of the porous gas diffusion layer (7) of the gas diffusion composite layer (7) is filled with the fine porous layer (7), and the gas diffusion resistance of the porous gas diffusion layer (7) is high. Although it is increased as compared with the gas diffusion resistance of the porous gas diffusion layer (6) of the gas diffusion composite layer (6), the increase width is that of the porous gas diffusion layer (5) in Reference Experimental Example 2. Compared with the increase width of the gas diffusion resistance of the filling region (GDL + MPL) by the fine porous layer (5), it is further reduced, and the gas diffusion resistance of the gas diffusion composite layer (7) as a whole is 80 s / m. It was below.
From the above results, when the porosity of the porous gas diffusion layer is 75% or more, the gas diffusion resistance in the porous gas diffusion layer even when the entire area of the porous gas diffusion layer is filled with the fine porous layer. It can be seen that the amount of increase in can be suppressed.

10 ガス拡散複合層、11 多孔質ガス拡散層、12 微細多孔質層、121 充填領域、122 表面被覆部、13 触媒層、14 ガス流路、50 ガス拡散複合層、51 炭素繊維からなるガス拡散性電極基材、52 マイクロポーラス層、53 流路、60 ガス拡散複合層、61 多孔質金属ガス拡散層、611 細孔、612 ブリッジ、62 微細多孔質層、63 触媒層、64 ガスチャネル、641 ガスチャネル64の開口部、100 燃料電池、101 固体高分子電解質膜、102 アノード触媒層、103 カソード触媒層、104 アノード側ガス拡散層、105 カソード側ガス拡散層、106 アノード電極、107 カソード電極、108 膜・電極接合体、109 アノード側セパレータ、110 カソード側セパレータ、111,112 ガス流路 10 Gas Diffusion Composite Layer, 11 Porous Gas Diffusion Layer, 12 Fine Porous Layer, 121 Filled Region, 122 Surface Coating, 13 Catalyst Layer, 14 Gas Flow Channel, 50 Gas Diffusion Composite Layer, 51 Gas Diffusion Consisting of Carbon Fiber Sex electrode substrate, 52 microporous layer, 53 channels, 60 gas diffusion composite layer, 61 porous metal gas diffusion layer, 611 pores, 612 bridges, 62 microporous layer, 63 catalyst layer, 64 gas channels, 641 Gas channel 64 opening, 100 fuel cell, 101 solid polymer electrolyte membrane, 102 anode catalyst layer, 103 cathode catalyst layer, 104 anode side gas diffusion layer, 105 cathode side gas diffusion layer, 106 anode electrode, 107 cathode electrode, 108 film / electrode junction, 109 anode side separator, 110 cathode side separator, 111,112 gas flow path

Claims (1)

多孔質ガス拡散層と、微細多孔質層とを含む燃料電池用のガス拡散複合層の製造方法であって、
チタン、金、銀、銅、白金、錫、鉄及びアルミニウムからなる群から選ばれる少なくとも一種の金属元素を含み、平均粒子径が10μm以上150μm以下である金属材料粒子と、発泡剤とを含む混合物を成型して得た成型体を焼成して焼結させて前記多孔質ガス拡散層を作製する工程と、
炭素材料を含む微細多孔質層形成用材料を用いて、前記多孔質ガス拡散層の細孔の少なくとも一部を充填し、かつ当該多孔質ガス拡散層の表面の少なくとも一部を被覆する前記微細多孔質層を形成する工程と、を有することを特徴とする燃料電池用のガス拡散複合層の製造方法。
A method for producing a gas diffusion composite layer for a fuel cell, which includes a porous gas diffusion layer and a fine porous layer.
A mixture containing at least one metal element selected from the group consisting of titanium, gold, silver, copper, platinum, tin, iron and aluminum, and a metal material particle having an average particle diameter of 10 μm or more and 150 μm or less, and a foaming agent. The step of producing the porous gas diffusion layer by firing and sintering the molded body obtained by molding the above-mentioned
The fine particles that fill at least a part of the pores of the porous gas diffusion layer and cover at least a part of the surface of the porous gas diffusion layer by using a material for forming a fine porous layer containing a carbon material. A method for producing a gas diffusion composite layer for a fuel cell, which comprises a step of forming a porous layer and a step of forming the porous layer.
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