JP4448013B2 - GAS DIFFUSION LAYER FOR FUEL CELL, ITS MANUFACTURING METHOD, AND GAS DIFFUSION LAYER LAMINATE STRUCTURE FOR FUEL CELL - Google Patents
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Description
本発明は燃料電池用ガス拡散層、その製造方法および燃料電池用ガス拡散層積層構造に関する。 The present invention is a gas diffusion layer for a fuel cell, a manufacturing method and a fuel cell gas diffusion layer laminated structure of it.
燃料電池用のガス拡散層として、カーボンペーパやカーボンクロスなどのカーボン繊維を基材としてシート状に形成したものが広く使用されている。そしてガス拡散層としての性能を得るために、これらの基材に導電性を高めるための導電処理や撥水性を施すための撥水処理がなされている。しかしながらこれらの基材は、高コストであるため、燃料電池用のガス拡散層として用いた場合に、燃料電池は高価格となり、実用化に障害となる問題があった。 As a gas diffusion layer for a fuel cell, a sheet formed from a carbon fiber such as carbon paper or carbon cloth as a base material is widely used. And in order to acquire the performance as a gas diffusion layer, the water repellent process for performing the electroconductive process for improving electroconductivity and water repellency to these base materials is made | formed. However, since these base materials are expensive, when used as a gas diffusion layer for a fuel cell, there is a problem that the fuel cell becomes expensive and hinders practical use.
この問題を解決する手段として、特許文献1に開示されているように、カ一ボン繊維及びパルプを主要成分とする液状物であるスラリーを形成し、スラリーに含まれている固形分を堆積させることによりシートを成形し、その後、撥水性を有する高分子材料(PTFE等)をシートの内部に含浸させ、その後、シートを加熱保持することにより、シートに含有されているパルプを消失させてパルプ跡を細孔とし、これにより多孔質のカーボンシートを形成する方法が近年提案されている。このカーボンシートは、撥水性を有する高分子材料(PTFE等)により、カーボン繊維を結合するため、カーボン繊維の結合に柔軟性を有する。従ってこのカーボンシートは、ロール状に巻き取れる柔軟性を有する利点をもち、このためロール搬送性を有し、生産性に優れている。
上記したカーボンシートによれば、カーボン繊維の結合に柔軟性があり、カーボンシートをロール状に巻き取れる柔軟性を有する反面、カーボンシートをガス拡散層としてガス配流板と共に燃料電池として組み込んだとき、カーボンシートで形成されたガス拡散層の内部に存在する細孔が圧潰されることがある。 According to the carbon sheet described above, there is flexibility in the bonding of carbon fibers, and the flexibility of winding up the carbon sheet in a roll shape, but when the carbon sheet is incorporated as a gas diffusion layer and a fuel cell as a gas diffusion layer, The pores existing inside the gas diffusion layer formed of the carbon sheet may be crushed.
更に説明を加える。図7は、このカーボンシートをガス拡散層として使用する形態を模擬的に示す。図7に示すように、燃料電池として組みこんだとき、上記したカーボンシートからなるガス拡散層100Xをガス配流板200Xにより圧力を加えて挟む。このため、ガス配流板200Xのガス流路210Xを形成する凸部220Xにより、ガス拡散層100Xは加圧される。故に、ガス拡散層100Xのうち、ガス配流板200Xの凸部220Xに対面する領域110Xにおいて、内部の細孔111Xが潰れる頻度が高くなるおそれがある。
Further explanation will be added. FIG. 7 schematically shows a form in which this carbon sheet is used as a gas diffusion layer. As shown in FIG. 7, when assembled as a fuel cell, the
ここで、ガス拡散層100Xの内部に形成されている細孔111Xは、燃料ガスまたは酸化剤ガスといった反応ガスを供給する機能と、発電反応により発生した水を排出させる機能とを有する。このため細孔111Xが潰れる頻度が高いと、上記した機能が低下し、燃料電池の目標とする発電性能が得られにくいという不具合がある。
Here, the
更に、上記したカーボンシートで形成されたガス拡散層100Xは前述したように厚さ方向に柔軟性があるため、ガス配流板200Xによりガス拡散層100Xが挟圧されると、図7に模擬的に示すように、ガス拡散層100Xの一部102Xがガス配流板200Xのガス流路210X内に膨出し、ガス配流板200Xのガス流路210Xの流路断面積を目標流路断面積よりも過剰に小さくするおそれがある。この場合、ガス配流板200Xのガス流路210Xを介してのガス供給性が充分でなくなるおそれがある。
Furthermore, since the
本発明は上記した実情に鑑みてなされたものであり、ガス拡散層の細孔が過剰に潰れたり、ガス配流板のガス流路の流路断面積が過剰に小さくなることを抑制するのに有利な燃料電池用ガス拡散層、その製造方法および燃料電池用ガス拡散層積層構造を提供することを課題とする。 The present invention has been made in view of the above-described circumstances, and it is possible to prevent the pores of the gas diffusion layer from being excessively crushed and the cross-sectional area of the gas flow path of the gas distribution plate from being excessively reduced. preferred fuel cell gas diffusion layer, and to provide a manufacturing method and a fuel cell gas diffusion layer laminated structure of it.
様相1の本発明に係る燃料電池用ガス拡散層は、ガス配流板に対向する第1対向面と触媒層に対面する第2対向面とを有すると共に、ガス拡散性を有する細孔をもつ燃料電池用ガス拡散層において、ガス拡散層の厚さの潰れを抑制する厚さ保持材を備えており、厚さ保持材の厚さまたは径をAとし、ガス拡散層の使用時における厚さをBとすると、A/B=1.5〜0.3に設定されていることを特徴とするものである。ガス拡散層は、これの厚さの潰れを抑制する厚さ保持材を備えている。このためガス拡散層の過剰の圧縮は抑制される。 A gas diffusion layer for a fuel cell according to the present invention of aspect 1 has a first opposing surface facing the gas flow plate and a second opposing surface facing the catalyst layer, and a fuel having pores having gas diffusibility The gas diffusion layer for a battery is provided with a thickness holding material that suppresses the collapse of the thickness of the gas diffusion layer, where the thickness or diameter of the thickness holding material is A, and the thickness when the gas diffusion layer is used. When B, A / B = 1.5 to 0.3 is set . The gas diffusion layer includes a thickness holding material that suppresses the collapse of the thickness. For this reason, excessive compression of the gas diffusion layer is suppressed.
様相2の本発明に係る燃料電池用ガス拡散層の製造方法は、導電性を有する導電物質と消失可能な消失物質とを主要成分として含み且つガス拡散層の厚さの潰れを抑制する厚さ保持材を含む液状物を用意する工程と、液状物から固形分を分離して堆積させることにより、導電物質および消失物質を主要成分とし且つ厚さ保持材を担持したシートを形成するシート形成工程と、シートに含まれている消失物質を消失させてシートの内部に細孔を形成してガス拡散性を有するガス拡散層を形成する細孔形成工程とを順に実施し、
細孔形成工程を実施したガス拡散層は、ガス拡散層の厚さの潰れを抑制する厚さ保持材を備えており、厚さ保持材の厚さまたは径をAとし、ガス拡散層の使用時における厚さをBとすると、A/B=1.5〜0.3に設定されていることを特徴とするものである。
Production method for a fuel cell gas diffusion layer according to the present invention of
The gas diffusion layer that has been subjected to the pore formation step includes a thickness holding material that suppresses the collapse of the thickness of the gas diffusion layer. The thickness or diameter of the thickness holding material is A, and the use of the gas diffusion layer When the thickness at the time is B, A / B = 1.5 to 0.3 is set .
液状物に含まれている厚さ保持材はガス拡散層に担持される。このようなガス拡散層は適度な柔軟性を有しつつも、使用時においてガス配流板で厚さ方向に挟圧されるとき、ガス拡散層の厚さが確保される。更にガス拡散層がガス配流板で挟圧されるとき、ガス拡散層の細孔が潰れにくくなり、ガス拡散層のガス拡散性が確保される。 The thickness holding material contained in the liquid material is carried on the gas diffusion layer. Although such a gas diffusion layer has moderate flexibility, the thickness of the gas diffusion layer is ensured when sandwiched in the thickness direction by the gas flow plate during use. Furthermore, when the gas diffusion layer is sandwiched between gas distribution plates, the pores of the gas diffusion layer are not easily crushed, and the gas diffusibility of the gas diffusion layer is ensured.
様相3の本発明に係る燃料電池用ガス拡散層積層構造は、(i)ガス配流板に対向する第1対向面と触媒層に対面する第2対向面とを有すると共にガス拡散性を有する細孔をもつ燃料電池用ガス拡散層と、(ii)反応ガスが流れるガス流路と前記ガス流路を形成するように燃料電池用ガス拡散層に向けて突出する凸部とを有すると共に、燃料電池用ガス拡散層をこれの厚み方向に挟圧するガス配流板とを備えており、(iii)燃料電池用ガス拡散層は、ガス配流板の凸部に起因してガス拡散層の厚さが潰れることを抑制する厚さ保持材を備えており、厚さ保持材の厚さまたは径をAとし、ガス拡散層の使用時における厚さをBとすると、A/B=1.5〜0.3に設定されていることを特徴とするものである。ガス拡散層は、これの厚さの潰れを抑制する厚さ保持材を備えている。このためガス拡散層をガス配流板で挟圧するときであっても、ガス配流板の凸部によるガス拡散層の過剰の圧縮は抑制される。The gas diffusion layer laminated structure for a fuel cell according to the present invention of aspect 3 has (i) a first opposing surface that faces the gas distribution plate and a second opposing surface that faces the catalyst layer, and has a gas diffusibility. A fuel cell gas diffusion layer having holes, (ii) a gas flow path through which a reaction gas flows, and a protrusion projecting toward the fuel cell gas diffusion layer so as to form the gas flow path, and a fuel And (iii) the fuel cell gas diffusion layer has a thickness of the gas diffusion layer due to the convex portion of the gas distribution plate. A thickness holding material that suppresses crushing is provided. When the thickness or diameter of the thickness holding material is A and the thickness when the gas diffusion layer is used is B, A / B = 1.5 to 0 .3 is set. The gas diffusion layer includes a thickness holding material that suppresses the collapse of the thickness. For this reason, even when the gas diffusion layer is sandwiched between gas distribution plates, excessive compression of the gas diffusion layer due to the convex portions of the gas distribution plate is suppressed.
本発明に係るガス拡散層は、これの厚さの潰れを抑制する厚さ保持材を備えている。このためガス拡散層の過剰の圧縮は抑制される。このためガス拡散層をガス配流板で挟圧するときであっても、ガス拡散層の内部に形成されているガス拡散性を有する細孔が過剰に潰れることを抑制することができる。更に、ガス拡散層をガス配流板で挟圧するときであっても、ガス配流板の形成されているガス流路の流路にガス拡散層の一部が膨出することを抑制することができる。ひいてはガス流路が過剰に小さくなることを抑制することができる。 The gas diffusion layer according to the present invention includes a thickness holding material that suppresses collapse of the thickness. For this reason, excessive compression of the gas diffusion layer is suppressed. For this reason, even when the gas diffusion layer is sandwiched between the gas flow plates, it is possible to prevent the pores having gas diffusibility formed inside the gas diffusion layer from being crushed excessively. Furthermore, even when the gas diffusion layer is sandwiched between the gas flow distribution plates, it is possible to prevent a part of the gas diffusion layer from expanding into the flow path of the gas flow path where the gas flow distribution plate is formed. . As a result, it can suppress that a gas flow path becomes small too much.
また、本発明に係るガス拡散層の製造方法によれば、液状物に含まれている厚さ保持材は、シート、つまりガス拡散層に担持される。厚さ保持材を担持したガス拡散層は、厚さ方向において過剰に圧縮されることが抑制される。このためガス拡散層をガス配流板で挟圧するときであっても、ガス拡散層の内部に形成されている細孔が過剰に潰れることを抑制することができる。更に、ガス拡散層をガス配流板で挟圧するときであっても、ガス配流板の形成されているガス流路の流路にガス拡散層の一部が膨出することを抑制することができる。ひいてはガス流路が過剰に小さくなることを抑制することができる。 In addition, according to the method for manufacturing a gas diffusion layer according to the present invention, the thickness maintaining material included in the liquid material is supported on the sheet, that is, the gas diffusion layer. The gas diffusion layer carrying the thickness maintaining material is suppressed from being excessively compressed in the thickness direction. For this reason, even when the gas diffusion layer is sandwiched between gas distribution plates, it is possible to prevent the pores formed inside the gas diffusion layer from being crushed excessively. Furthermore, even when the gas diffusion layer is sandwiched between the gas flow distribution plates, it is possible to prevent a part of the gas diffusion layer from expanding into the flow path of the gas flow path where the gas flow distribution plate is formed. . As a result, it can suppress that a gas flow path becomes small too much.
本発明に係る燃料電池用ガス拡散層積層構造によれば、ガス拡散層をガス配流板で挟圧するときであっても、ガス拡散層の内部に形成されているガス拡散性を有する細孔が過剰に潰れることを抑制することができる。更に、ガス拡散層をガス配流板で挟圧するときであっても、ガス配流板の形成されているガス流路の流路にガス拡散層の一部が膨出することを抑制することができる。ひいてはガス流路が過剰に小さくなることを抑制することができる。According to the gas diffusion layer laminated structure for a fuel cell according to the present invention, even when the gas diffusion layer is sandwiched between gas flow plates, the gas diffusible pores formed inside the gas diffusion layer are provided. Excessive crushing can be suppressed. Furthermore, even when the gas diffusion layer is sandwiched between the gas flow distribution plates, it is possible to prevent a part of the gas diffusion layer from expanding into the flow path of the gas flow path where the gas flow distribution plate is formed. . As a result, it can suppress that a gas flow path becomes small too much.
本発明によれば、ガス拡散層は、これの厚さの潰れを抑制する厚さ保持材を備えている。このためガス拡散層の過剰の圧縮は抑制される。厚さ保持材の厚さまたは直径をAとし、ガス拡散層を燃料電池に組み付けた使用時におけるガス拡散層の厚さをBとすると、A/Bの値が過剰に大きいと、厚さ保持材の厚さまたは直径がガス拡散層の厚さよりも大き過ぎ、ガス配流板や触媒層の損傷を招くおそれがある。また、A/Bの値が過剰に小さいと、厚さ保持材の厚さまたは径がガス拡散層の厚さよりも小さ過ぎ、厚さ保持材の機能が充分に発揮されず、ガス拡散層がこれの厚さ方向に過剰に圧縮されてしまうおそれがある。 According to the present invention, the gas diffusion layer includes the thickness holding material that suppresses the collapse of the thickness thereof. For this reason, excessive compression of the gas diffusion layer is suppressed. If the thickness or diameter of the thickness-holding material is A and the thickness of the gas diffusion layer is B when the gas diffusion layer is assembled to a fuel cell, the thickness will be maintained if the A / B value is excessively large. The thickness or diameter of the material is too larger than the thickness of the gas diffusion layer, which may cause damage to the gas distribution plate and the catalyst layer. On the other hand, if the value of A / B is excessively small, the thickness or diameter of the thickness holding material is too small than the thickness of the gas diffusion layer, and the function of the thickness holding material cannot be sufficiently exhibited, There is a risk of excessive compression in the thickness direction.
かかる事情を考慮し、A/B=1.5〜0.3の範囲に設定されている形態を採用することができる。殊に、A/Bとしては、1.4〜0.5の範囲、1.3〜0.7の範囲、更には1.2〜0.7の範囲、1.1〜0.8の範囲、1.0〜0.8の範囲に設定することができる。A/Bの上限値としては1.5,1.2,1.0を例示でき、下限値としては0.7,0.8,0.9を例示できるが、これらに限定されるものではない。なお、A/Bの値については、ガス配流板や触媒層の損傷を抑制するためには、1.0以下とすることができる。 In consideration of such circumstances, it is possible to adopt a mode set in the range of A / B = 1.5 to 0.3. In particular, A / B is in the range of 1.4 to 0.5, in the range of 1.3 to 0.7, more preferably in the range of 1.2 to 0.7, and in the range of 1.1 to 0.8. , 1.0 to 0.8 can be set. The upper limit value of A / B can be exemplified as 1.5, 1.2, 1.0, and the lower limit value can be exemplified as 0.7, 0.8, 0.9, but is not limited thereto. Absent. In addition, about the value of A / B, in order to suppress damage to a gas distribution plate or a catalyst layer, it can be 1.0 or less.
厚さ保持材の厚さまたは直径(ガス拡散層に組み込んだ状態)としては、燃料電池に組み込んだ使用時におけるガス拡散層の厚さに対応するため、ガス拡散層の厚さ等によっても相違するものの、例えば、40〜1000μm、50〜500μm、100〜400μm、100〜300μmが例示される。但しこれらに限定されるものではない。 The thickness or diameter of the thickness-retaining material (incorporated in the gas diffusion layer) varies depending on the thickness of the gas diffusion layer, etc., in order to correspond to the thickness of the gas diffusion layer when used in a fuel cell. However, 40-1000 micrometers, 50-500 micrometers, 100-400 micrometers, and 100-300 micrometers are illustrated, for example. However, it is not limited to these.
厚さ保持材は粒子状または繊維状とすることができるが、ガス拡散層の可撓性を得るためには、粒子状であることが好ましい。粒子状は球状、疑似球状、楕円形状、疑似楕円形状、長円形状、疑似長円形状、多角形状のうちの少なくとも1種を例示できる。厚さ保持材において、一方向の径または幅をL1とし、一方向と直交する方向の径または幅をL2としたとき、真球度に相当するL1/L2としては0.5〜3.0、0.7〜2.0、または、0.9〜1.1とすることができる。但しこれに限定されるものではない。厚さ保持材が球状または疑似球状であれば、ガス拡散層の可撓性を高めるのに有利である。 The thickness maintaining material can be in the form of particles or fibers, but in order to obtain the flexibility of the gas diffusion layer, it is preferably in the form of particles. Examples of the particle shape include at least one of spherical, pseudo-spherical, elliptical, pseudo-elliptical, elliptical, pseudo-ellipse, and polygonal. In the thickness retaining material, when L1 is a diameter or width in one direction and L2 is a diameter or width in a direction orthogonal to one direction, L1 / L2 corresponding to sphericity is 0.5 to 3.0. , 0.7 to 2.0, or 0.9 to 1.1. However, it is not limited to this. If the thickness holding material is spherical or pseudo-spherical, it is advantageous to increase the flexibility of the gas diffusion layer.
厚さ保持材はセラミックス、金属及び樹脂のうちの少なくとも一方を母材として形成されている形態を例示することができる。セラミックスとしては、酸化物系でも非酸化物系でも良い。非酸化物系としては、窒化物系、炭化物系、硼化物系が例示される。セラミックスとしては、例えば、ジルコニア、アルミナ、シリカ、ムライト、コーディエライト、炭化珪素、窒化珪素、窒化硼素、イットリア、セリア、窒化アルミニウム、ジルコン(組成式:Zr[SiO2])、チタン酸アルミニウム、チタニア、マグネシア、硼化チタン、タングステンカーバイド(WC)、ガラスのうちの少なくとも1種が例示される。ジルコニアとしては、安定化剤を添加した安定化ジルコニア(FSZ)でも、部分安定化ジルコニア(PSZ)でも良い。安定化剤としてはY2O3,MgO,CeO2,Al2O3が例示される。セラミックスとしては中実状でも良いし、中空状でも良い。金属としては、鉄系、非鉄系、金属間化合物が挙げられる。鉄系としては、耐食性が良好な合金鋼系が好ましいが、場合によっては炭素鋼系とすることもできる。 The thickness holding material can be exemplified by a form in which at least one of ceramic, metal and resin is used as a base material. Ceramics may be oxide-based or non-oxide-based. Examples of non-oxides include nitrides, carbides, and borides. Examples of ceramics include zirconia, alumina, silica, mullite, cordierite, silicon carbide, silicon nitride, boron nitride, yttria, ceria, aluminum nitride, zircon (composition formula: Zr [SiO 2 ]), aluminum titanate, Examples include at least one of titania, magnesia, titanium boride, tungsten carbide (WC), and glass. The zirconia may be stabilized zirconia (FSZ) added with a stabilizer or partially stabilized zirconia (PSZ). Examples of the stabilizer include Y 2 O 3 , MgO, CeO 2 , and Al 2 O 3 . The ceramic may be solid or hollow. Examples of the metal include ferrous, non-ferrous, and intermetallic compounds. As the iron system, an alloy steel system with good corrosion resistance is preferable, but in some cases, a carbon steel system can be used.
樹脂としては、熱硬化性樹脂でも良いし、熱可塑性樹脂でも良い。熱硬化性樹脂としては、フェノール樹脂、エポキシ樹脂、ジアリルフタレート樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、フラン樹脂、ユリア樹脂、アルキド樹脂、メラミン樹脂、シリコーン樹脂のうちの少なくとも1種が例示される。熱可塑性樹脂としては、ポリフェニレンサルファイド(PPS)樹脂、ポリエーテルサルフォン(PES)樹脂、ポリエーテルエーテルケトン(PEEK)樹脂のうちの少なくとも1種が例示される。 The resin may be a thermosetting resin or a thermoplastic resin. Examples of the thermosetting resin include at least one of phenol resin, epoxy resin, diallyl phthalate resin, unsaturated polyester resin, furan resin, urea resin, alkyd resin, melamine resin, and silicone resin. Examples of the thermoplastic resin include at least one of polyphenylene sulfide (PPS) resin, polyether sulfone (PES) resin, and polyether ether ketone (PEEK) resin.
厚さ保持材の少なくとも一部は、被膜で覆われている形態を例示することができる。被膜としては、耐食性が良好な被膜を例示することができる。耐食性が良好な被膜としては金の被膜が例示される。厚さ保持材が金属であるときには、耐食性が良好な被膜で厚さ保持材の少なくとも一部を覆うことができる。 A form in which at least a part of the thickness maintaining material is covered with a film can be exemplified. An example of the coating is a coating with good corrosion resistance. An example of a film having good corrosion resistance is a gold film. When the thickness holding material is a metal, at least a part of the thickness holding material can be covered with a film having good corrosion resistance.
ガス拡散層における厚さ保持材の配合割合は適宜選択することができる。厚さ保持材の配合割合が多いと、ガス拡散層の基材(例えばカーボン繊維)の割合が相対的に低下し、ガス拡散層の本来の性能が低下するおそれがある。また、厚さ保持材の配合割合が少ないと、ガス拡散層の基材の割合が相対的に多くなるものの、ガス拡散層が厚さ方向に過剰に圧縮されるおそれがある。そこでガス拡散層の基材(例えばカーボン繊維)を相対表示で1としたとき、ジルコニア粒子等の厚さ保持材は、基材に対して重量比で1/30〜1/1の範囲、1/10〜2/3の範囲、殊に1/6〜1/2の範囲配合されている形態を採用することができる。但しこれらに限定されるものではない。 The mixing ratio of the thickness maintaining material in the gas diffusion layer can be appropriately selected. When the blending ratio of the thickness maintaining material is large, the ratio of the base material (for example, carbon fiber) of the gas diffusion layer is relatively decreased, and the original performance of the gas diffusion layer may be decreased. Moreover, when the blending ratio of the thickness maintaining material is small, the ratio of the base material of the gas diffusion layer is relatively increased, but the gas diffusion layer may be excessively compressed in the thickness direction. Therefore, when the base material (for example, carbon fiber) of the gas diffusion layer is set to 1 in relative display, the thickness holding material such as zirconia particles is in the range of 1/30 to 1/1 by weight ratio with respect to the base material. A form blended in the range of / 10 to 2/3, particularly in the range of 1/6 to 1/2 can be adopted. However, it is not limited to these.
本発明方法によれば、導電性を有する導電物質と消失可能な消失物質とを主要成分として含み且つガス拡散層の潰れを抑制する厚さ保持材を含む液状物を用意する工程と、液状物から固形分を分離することにより、導電物質および消失物質を主要成分とするシートを固形分の堆積により形成するシート形成工程と、シートに含まれている消失物質を消失させてシート内部に細孔を形成する細孔形成工程とを順に実施する。更に、シート形成工程と細孔形成工程との間に、撥水材をシートに含浸させることが好ましい。撥水材はガス通路が水で塞がれることを抑制する機能を有する。撥水材としては4フッ化エチレン(PTFE)、4フッ化エチレン・エチレン共重合体(ETFE)、4フッ化エチレン・パーフルオロアルコキシエチレン共重合体(PFA)等のフッ素樹脂が例示される。 According to the method of the present invention, a step of preparing a liquid material including a conductive material having conductivity and a disappearable material that can be lost as a main component and a thickness holding material that suppresses the collapse of the gas diffusion layer; By separating solids from the sheet, a sheet forming step of forming a sheet mainly composed of a conductive substance and a disappearing substance by deposition of solids, and disappearing the disappearing substance contained in the sheet to form pores inside the sheet And a pore forming step for forming the. Furthermore, it is preferable to impregnate the sheet with a water repellent material between the sheet forming step and the pore forming step. The water repellent material has a function of suppressing the gas passage from being clogged with water. Examples of the water repellent material include fluororesins such as tetrafluoroethylene (PTFE), tetrafluoroethylene / ethylene copolymer (ETFE), and tetrafluoroethylene / perfluoroalkoxyethylene copolymer (PFA).
出発原料としての液状物に含有される導電性を有する導電物質としては、繊維状でも粒子状でも良い。導電物質としては、耐食性、導電性等を考慮すると、一般的には炭素系を用いることができる。炭素系としてはカーボン繊維、カーボン粒子等を例示することができる。カーボン繊維等の導電繊維としては、径が2〜50μm、殊に7〜18μm、長さが1〜50mm、殊に3〜24mmのものを例示できるが、これらに限定されるものではない。 The conductive material having conductivity contained in the liquid material as the starting material may be fibrous or particulate. As the conductive material, carbon-based materials can be generally used in consideration of corrosion resistance, conductivity, and the like. Examples of carbon-based materials include carbon fibers and carbon particles. Examples of the conductive fiber such as carbon fiber include those having a diameter of 2 to 50 μm, particularly 7 to 18 μm, and a length of 1 to 50 mm, particularly 3 to 24 mm, but are not limited thereto.
液状物に含有される消失可能な消失物質としては、加熱により焼失して細孔を形成する有機物質を採用できる。このような有機物質としてはパルプ等の植物系有機物質が例示される。パルプは抄紙の際にカーボン繊維等の導電物質を捕獲するのに有利である。パルプは上記した捕獲性及び吸水性を有する。出発原料としての液状物は厚さ保持材を含む。液状物に含まれている厚さ保持材は、カーボン繊維等の導電物質と共にシートに担持される。出発原料としての液状物に含有される厚さ保持材としては、前記したセラミックス及び金属のうちの少なくとも一方を母材とすることができる。 As the erasable substance contained in the liquid material, an organic substance that burns down by heating to form pores can be employed. Examples of such organic substances include plant organic substances such as pulp. Pulp is advantageous for capturing conductive materials such as carbon fibers during papermaking. The pulp has the above-described capturing ability and water absorption. The liquid material as the starting material includes a thickness maintaining material. The thickness holding material contained in the liquid material is carried on the sheet together with a conductive substance such as carbon fiber. As the thickness maintaining material contained in the liquid material as the starting material, at least one of the above-described ceramics and metals can be used as a base material.
以下、本発明の実施例について図1〜図5を参照しつつ具体的に説明する。実施例は固体高分子電解質型の燃料電池に適用したものである。この燃料電池の電極はガス拡散層と触媒層とを積層して形成されている。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to FIGS. The example is applied to a solid polymer electrolyte fuel cell. The electrode of this fuel cell is formed by laminating a gas diffusion layer and a catalyst layer.
(実施例1)
ガス拡散層の基材として機能するカーボン繊維(導電物質)の短繊維〈代表的な大きさとしては、径13μm、長さ3ミリメートル)と、パルプ(消失物質)と、ジルコニア粒子(厚さ保持材)とを、所定の比率で容器内の水に混合し、水中で叩解することにより、カーボン繊維とパルプとジルコニア粒子とを均一に分散させた図2に示す抄紙用スラリー10(液状物)を作製した。ここで、ジルコニア粒子の粒径は200μmであり、即ち、カーボン繊維の長さよりも小さく、且つ、カーボン繊維の径よりも大きくされている。ジルコニア粒子の形状は真球度が高い球状とした。そしてジルコニア粒子において、一方向の径または幅をL1とし、一方向と直交する方向の径または幅をL2とするとき、L1/L2としては0.95〜1.06である。ジルコニア粒子は径または幅としては、20個の粒子を顕微鏡観察により測定した。
Example 1
Short fibers of carbon fiber (conductive material) functioning as a base material for the gas diffusion layer (typically 13 μm in diameter and 3 mm in length), pulp (disappearing material), and zirconia particles (thickness retention) 2) is mixed with water in the container at a predetermined ratio and beaten in water to uniformly disperse carbon fibers, pulp, and zirconia particles. Was made. Here, the particle diameter of the zirconia particles is 200 μm, that is, smaller than the length of the carbon fiber and larger than the diameter of the carbon fiber. The shape of the zirconia particles was spherical with high sphericity. In the zirconia particles, when L1 is a diameter or width in one direction and L2 is a diameter or width in a direction orthogonal to one direction, L1 / L2 is 0.95 to 1.06. As for the diameter or width of the zirconia particles, 20 particles were measured by microscopic observation.
上記した所定の比率としては、重量比で、カーボン繊維:パルプ:ジルコニア粒子=6:4:1とした。即ち、ガス拡散層の基材であるカーボン繊維を相対表示で1としたとき、ジルコニア粒子は、カーボン繊維に対して重量比で1/6程度配合されている。 As the above-mentioned predetermined ratio, the weight ratio was carbon fiber: pulp: zirconia particles = 6: 4: 1. That is, when the carbon fiber which is the base material of the gas diffusion layer is set to 1 in relative display, the zirconia particles are blended by about 1/6 in weight ratio with respect to the carbon fiber.
その抄紙用スラリー10を網状部材により抄紙処理した。即ち、抄紙用スラリーに含まれている固形分と液分とを網状部材により分離し、厚さ約0.3ミリメートルの薄状シート20を製造した(図4参照)。従って、薄状シート20は、カーボン繊維とパルプとジルコニア粒子とを主要成分とする。抄紙処理の際に、抄紙用スラリー10にパルプが含有されていないときには、カーボン繊維及びジルコニア粒子の捕獲は困難となる。抄紙用スラリー10にパルプが含有されているため、カーボン繊維及びジルコニア粒子が薄状シート20に効率良く担持される。従ってパルプは、カーボン繊維及びジルコニア粒子を捕獲する捕獲促進物質としても機能することができる。
The
図3は、抄紙で形成した薄状シート20をロール搬送している途中状態を示す。このように薄状シート20は、製造工程では、複数のロール500間を曲成されつつ搬送される。このとき、薄状シート20に担持されているジルコニアは長繊維状ではなく微粒子状であるため、薄状シート20は柔軟性に富む。このため薄状シート20をロール500間で曲走させて容易にロール搬送することができる。
FIG. 3 shows a state where the
本実施例では、導電物質であるカーボンブラック(バルカンXC−72)と撥水材(PTFE分散液 ダイキン工業 D−1)とを重量比で2:1で混合分散して形成したペーストを用いた。このペーストを上記薄状シート20にこれの表面から内部にロールコートにより含浸させた(図4参照)。その後、ペーストを含浸させた薄状シート20を乾燥させた後、大気雰囲気において所定の温度(380℃)にて加熱保持し、焼成した。焼成により、薄状シート20の内部に含まれているパルプを焼失(消失)させて、パルプの跡を細孔22(図5参照)として形成した。パルプは繊維状であるため、パルプ跡である細孔22は基本的にはパルプの担持形態に対応する形状となり、ガス拡散性が良好な連続孔になると推察される。
In this example, a paste formed by mixing and dispersing the conductive material carbon black (Vulcan XC-72) and water repellent material (PTFE dispersion Daikin Industries D-1) at a weight ratio of 2: 1 was used. . This paste was impregnated into the
その後、薄状シート20をホットプレスにより厚さ方向に加圧した。これにより厚さが面内で均一になるように調整し、実施例に係る多孔質性をもつガス拡散層100(厚さ約200μm)を形成した。このガス拡散層100は、基本的には、導電物質であるカーボン繊維、導電物質であるカーボンブラック、撥水材(PTFE)、ジルコニア粒子を主要成分とする。
Thereafter, the
本実施例によれば、出発原料としての抄紙用スラリー10(液状物)にはカーボン繊維及びパルプの他に、厚さ保持材として機能できるジルコニア粒子が含有されている。従って、ガス拡散層100となる薄状シート20に、ジルコニア粒子を担持させることができる。
According to the present embodiment, the papermaking slurry 10 (liquid material) as a starting material contains zirconia particles that can function as a thickness maintaining material in addition to carbon fibers and pulp. Therefore, the zirconia particles can be supported on the
図1は、ガス配流板200とともにガス拡散層100を固体高分子電解質型燃料電池に組み込まれている状態を模擬的に示す。図1に示すように、カーボンシートからなるガス拡散層100と固体高分子型の電解質膜400との間には、触媒層410,420が配置されている。触媒層410,420は、白金等の触媒物質、カーボンブラックなどの電子伝導性物質および電解質物質を主要成分として含む。図1に示すように、カーボンシートからなるガス拡散層100は、ガス配流板200に対向する第1対向面100fと、触媒層410,420に対向する第2対向面100sとを備えている。
FIG. 1 schematically shows a state in which a
図1に示すように、ガス拡散層100は、これの厚さ方向の両側からガス配流板200により挟圧されている。この場合、ガス配流板200のガス流路210を形成する凸部220が形成されており、凸部220の先端面220aによりガス拡散層100がこれの厚さ方向に加圧されている。ここで、カーボンシートからなるガス拡散層100は、燃料電池に組み付けたガス拡散層100の厚さに相当する粒径を備えるジルコニア粒子を厚さ保持材として含有している。このため、ガス拡散層100のうち、ガス配流板200の凸部220に対面する領域101において、内部の細孔22が潰れるおそれが抑制される。
As shown in FIG. 1, the
ここで、ガス拡散層100の内部に形成されている細孔22は、燃料ガスや酸化剤ガス等の反応ガスを通過させるガス透過機能と、発電反応により発生した水を排出させる水排出機能とを有する。本実施例では細孔22の過剰潰れがジルコニア粒子により抑制されるため、上記したガス透過機能及び水排出機能の双方が良好に確保され、燃料電池の発電性能が向上する。
Here, the
更に、ガス配流板200によりガス拡散層100が厚さ方向に挟圧されるときであっても、図7に示す従来形態と異なり、ガス拡散層100の一部がガス配流板200のガス流路210内に膨出することが抑制される。故に、ガス配流板200のガス流路210の流路断面積を確保するのに有利となる。従って、ガス配流板200のガス流路210を介してのガス供給性が良好に確保される。
Further, even when the
加えて本実施例によれば、厚さ保持材としてのジルコニア粒子は繊維状ではないため、ガス拡散層の可撓性を損なわない。従って、製造過程において抄紙法の利点であるロール搬送性が良好に確保され、生産性が確保される。 In addition, according to the present embodiment, since the zirconia particles as the thickness maintaining material are not fibrous, the flexibility of the gas diffusion layer is not impaired. Therefore, the roll transportability, which is an advantage of the papermaking method, is ensured in the manufacturing process, and productivity is ensured.
(実施例2)
実施例2は実施例1と基本的には同様の構成であり、同様の作用効果を有する。実施例2では、ジルコニア粒子は実施例1と同種のものを用い、粒径200μmであり、形状は球状とした。スラリー10の比率としては、実施例1よりもジルコニア粒子の割合を増加させるべく、重量比で、カーボン繊維:パルプ:ジルコニア粒子=6:4:3とした。即ち、ガス拡散層の基材であるカーボン繊維を相対表示で1としたとき、ジルコニア粒子は、カーボン繊維に対して重量比で1/2程度配合されている。実施例2のガス拡散層100の厚さは約200μmである。
(Example 2)
The second embodiment has basically the same configuration as the first embodiment and has the same function and effect. In Example 2, the same kind of zirconia particles as in Example 1 were used, the particle diameter was 200 μm, and the shape was spherical. The ratio of the
(実施例3)
実施例3は実施例1と基本的には同様の構成であり、同様の作用効果を有する。実施例3では、カーボン繊維とパルプとガラス粒子とを均一に分散させた抄紙用スラリー10(液状物)を作製した。ガラス粒子は粒径200μmであり、形状は球状とした。比率としては、重量比で、カーボン繊維:パルプ:ガラス粒子=6:4:1とした。即ち、ガス拡散層の基材であるカーボン繊維を相対表示で1としたとき、ガラス粒子は、カーボン繊維に対して重量比で1/6程度配合されている。ガラス粒子において、一方向の径または幅をL1とし、一方向と直交する方向の径または幅をL2とするとき、L1/L2としては0.88〜1.11である。実施例3のガス拡散層100の厚さは約200μmである。
Example 3
The third embodiment has basically the same configuration as that of the first embodiment and has the same function and effect. In Example 3, a papermaking slurry 10 (liquid material) in which carbon fibers, pulp, and glass particles were uniformly dispersed was prepared. The glass particles had a particle size of 200 μm and a spherical shape. The ratio was carbon fiber: pulp: glass particles = 6: 4: 1 by weight. That is, when the carbon fiber that is the base material of the gas diffusion layer is set to 1 by relative display, the glass particles are blended by about 1/6 in weight ratio with respect to the carbon fiber. In the glass particles, when the diameter or width in one direction is L1, and the diameter or width in a direction orthogonal to the one direction is L2, L1 / L2 is 0.88 to 1.11. The thickness of the
(実施例4)
実施例4は実施例3と基本的には同様の構成であり、同様の作用効果を有する。実施例4では、カーボン繊維とパルプとガラス粒子とを均一に分散させた抄紙用スラリー10(液状物)を作製した。ガラス粒子は粒径200μmであり、形状は球状とした。比率としては、実施例3の場合よりもガラス粒子を増加させるべく、重量比で、カーボン繊維:パルプ:ガラス粒子=6:4:3とした。即ち、ガス拡散層の基材であるカーボン繊維を相対表示で1としたとき、ガラス粒子は、カーボン繊維に対して重量比で1/2程度配合されている。実施例4のガス拡散層100の厚さは約200μmである。
(Example 4)
The fourth embodiment has basically the same configuration as that of the third embodiment and has the same function and effect. In Example 4, a papermaking slurry 10 (liquid material) in which carbon fibers, pulp, and glass particles were uniformly dispersed was prepared. The glass particles had a particle size of 200 μm and a spherical shape. The ratio was set to carbon fiber: pulp: glass particles = 6: 4: 3 in a weight ratio so as to increase the glass particles as compared with the case of Example 3. That is, when the carbon fiber which is the base material of the gas diffusion layer is set to 1 in relative display, the glass particles are blended by about 1/2 with respect to the carbon fiber in a weight ratio. The thickness of the
(実施例5)
実施例5は実施例1と基本的には同様の構成であり、同様の作用効果を有する。実施例5では、ジルコニア粒子に代えて、金蒸着により耐食性を有する被膜を被覆した金属粒子(厚さ保持材)を用いた。金属粒子は材質はステンレス鋼であり、粒径200μmであり、形状は球状とした。スラリー10の比率としては、重量比で、カーボン繊維:パルプ:金属粒子=6:4:3とした。即ち、ガス拡散層の基材であるカーボン繊維を相対表示で1としたとき、被膜を有する金属粒子は、カーボン繊維に対して重量比で1/2程度配合されている。被膜を有する金属粒子において、一方向の径または幅をL1とし、一方向と直交する方向の径または幅をL2とするとき、L1/L2としては0.96〜1.04である。実施例5のガス拡散層100の厚さは約200μmである。
(Example 5)
The fifth embodiment has basically the same configuration as that of the first embodiment and has the same function and effect. In Example 5, instead of zirconia particles, metal particles (thickness retaining material) coated with a coating having corrosion resistance by gold vapor deposition were used. The metal particles are made of stainless steel, have a particle size of 200 μm, and have a spherical shape. The ratio of the
(比較例)
比較例は基本的には実施例1と同様に製造した。但し、比較例に係る抄紙用スラリーはジルコニア粒子、ガラス粒子、金属粒子を含有していない。比較例では、まず、カーボン繊維であるカーボンファイバーの短繊維(代表的な大きさは径13μm、長さ3ミリメートル)とパルプとを所定の重量比率(6:4)で混合し、水中で叩解することによりカーボン繊維とパルプとを均一に分散させた抄紙用スラリーを作製した。その抄紙用スラリーを網状部材に抄紙処理し、抄紙用スラリーに含まれる液分と固形分とを分離し、上記実施例と同様に、厚さ約0.3ミリメートルの薄状シートを製造した。そしてカーボンブラック(バルカンXC−72)と撥水材(PTFE分散液ダイキン工業 D−1)とを重量比で2:1で混合分散したペーストを用いた。このペーストを上記薄状シートにこれの表面からロールコートにより含浸し、乾燥後380℃にて焼成し、薄状シートに含まれているパルプを焼失(消失)させた。その後シートをホットプレスし、厚さが面内で均一になるように調整し、比較例に係るガス拡散層(約200μm)を得た。
(Comparative example)
The comparative example was basically produced in the same manner as in Example 1. However, the papermaking slurry according to the comparative example does not contain zirconia particles, glass particles, or metal particles. In the comparative example, first, short fibers of carbon fibers (typical size is 13 μm in diameter and 3 mm in length) and pulp are mixed at a predetermined weight ratio (6: 4) and beaten in water. Thus, a papermaking slurry in which carbon fibers and pulp were uniformly dispersed was produced. The papermaking slurry was processed into a net-like member, and the liquid content and solid content contained in the papermaking slurry were separated to produce a thin sheet having a thickness of about 0.3 mm as in the above example. A paste in which carbon black (Vulcan XC-72) and water repellent material (PTFE dispersion Daikin Industries D-1) were mixed and dispersed at a weight ratio of 2: 1 was used. This thin sheet was impregnated into the thin sheet from the surface by roll coating, dried and fired at 380 ° C. to burn (disappear) the pulp contained in the thin sheet. Thereafter, the sheet was hot pressed to adjust the thickness to be uniform within the surface, and a gas diffusion layer (about 200 μm) according to a comparative example was obtained.
(試験)
上記した様な方法で得られたガス拡散層について厚さ保持率を測定した。この場合には、ガス拡散層を電極として燃料電池に組み込んだときにおける荷重をガス拡散層の厚さ方向にプレス装置により加圧し、ガス拡散層の厚さの変化を試験した。ガス拡散層の厚さはダイヤルゲージにより測定した。図6は試験結果を示す。最大荷重は4MPa(≒41kgf/cm2)とした。図6の横軸は荷重を示し、縦軸は厚さ保持率を示す。厚さ保持率100%は、荷重をかけていないときにおけるガス拡散層の厚さに相当する。厚さ保持率90%は、荷重をかけていないときにおける厚さよりも厚さが10%薄くなったことを意味する。図6の特性線に示すように、厚さ保持材を含有していない比較例によれば、荷重が小さなときにおいても、厚さ保持率の低下が激しい。これに対して厚さ保持材を含有する実施例1〜5では、厚さ保持率の低下が少ない。殊に、実施例4,実施例2では厚さ保持率の低下が少ない。実施例4は、重量比でカーボン繊維:パルプ:ガラス粒子=6:4:3としている。実施例2は、重量比で、カーボン繊維:パルプ:ジルコニア粒子=6:4:3としている。
(test)
The thickness retention rate of the gas diffusion layer obtained by the method as described above was measured. In this case, the load when the gas diffusion layer was incorporated into the fuel cell as an electrode was pressurized with a press device in the thickness direction of the gas diffusion layer, and the change in the thickness of the gas diffusion layer was tested. The thickness of the gas diffusion layer was measured with a dial gauge. FIG. 6 shows the test results. The maximum load was 4 MPa (≈41 kgf / cm 2 ). The horizontal axis in FIG. 6 indicates the load, and the vertical axis indicates the thickness retention rate. The thickness retention rate of 100% corresponds to the thickness of the gas diffusion layer when no load is applied. A thickness retention of 90% means that the thickness is 10% thinner than the thickness when no load is applied. As shown by the characteristic line in FIG. 6, according to the comparative example that does not contain the thickness holding material, the thickness holding ratio is drastically reduced even when the load is small. On the other hand, in Examples 1-5 containing a thickness holding material, there is little fall of thickness retention. In particular, in Examples 4 and 2, the decrease in thickness retention is small. In Example 4, carbon fiber: pulp: glass particles = 6: 4: 3 by weight ratio. In Example 2, the weight ratio is carbon fiber: pulp: zirconia particles = 6: 4: 3.
(その他)
ガス拡散層にはジルコニア粒子及びガラス粒子を併用して担持させても良い。更にジルコニア粒子及びガラス粒子の少なくとも一方と、樹脂粒子及び/又は被膜を有する金属粒子とを併用させても良い。ガス拡散層は抄紙法で形成されたものに限定されるものではなく、他の製造方法で形成されたガス拡散層に適用することもできる。その他、本発明は上記し且つ図面に示した実施例のみに限定されるものではなく、要旨を逸脱しない範囲内で適宜変更して実施できるものである。
(Other)
The gas diffusion layer may be loaded with zirconia particles and glass particles in combination. Further, at least one of zirconia particles and glass particles may be used in combination with resin particles and / or metal particles having a coating. The gas diffusion layer is not limited to those formed by the papermaking method, and can be applied to gas diffusion layers formed by other manufacturing methods. In addition, the present invention is not limited to the embodiments described above and shown in the drawings, and can be implemented with appropriate modifications within a range not departing from the gist.
本発明は固体高分子電解質型燃料電池用ガス拡散層の製造方法に利用することができる。 The present invention can be used in a method for producing a gas diffusion layer for a solid polymer electrolyte fuel cell.
図中、100はガス拡散層、200はガス配流板、210はガス流路、220は凸部、10はスラリー、20は薄状シート、22は細孔を示す。
In the figure, 100 is a gas diffusion layer, 200 is a gas distribution plate, 210 is a gas flow path, 220 is a convex portion, 10 is a slurry, 20 is a thin sheet, and 22 is a pore.
Claims (8)
前記ガス拡散層の厚さの潰れを抑制する厚さ保持材を備えており、前記厚さ保持材の厚さまたは径をAとし、前記ガス拡散層の使用時における厚さをBとすると、A/B=1.5〜0.3に設定されていることを特徴とする燃料電池用ガス拡散層。 In the gas diffusion layer for a fuel cell, having a first opposing surface facing the gas distribution plate and a second opposing surface facing the catalyst layer, and having pores having gas diffusibility,
A thickness holding material that suppresses the collapse of the thickness of the gas diffusion layer is provided, and the thickness or diameter of the thickness holding material is A, and the thickness when the gas diffusion layer is used is B. A gas diffusion layer for fuel cells, wherein A / B = 1.5 to 0.3 .
前記細孔形成工程を実施した前記ガス拡散層は、前記ガス拡散層の厚さの潰れを抑制する前記厚さ保持材を備えており、前記厚さ保持材の厚さまたは径をAとし、前記ガス拡散層の使用時における厚さをBとすると、A/B=1.5〜0.3に設定されていることを特徴とする燃料電池用ガス拡散層の製造方法。 Preparing a liquid containing a thick holding material suppresses and collapse of the thickness of the gas diffusion layer comprises a conductive material having conductivity and a loss can be loss materials as a main component, from the liquid product A sheet forming step of forming a sheet containing the conductive material and the disappearing material as main components and carrying the thickness holding material by separating and depositing solids, and the disappearance included in the sheet The pore formation step of forming a gas diffusion layer having gas diffusibility by eliminating the substance and forming pores inside the sheet is sequentially performed ,
The gas diffusion layer that has performed the pore formation step includes the thickness holding material that suppresses the collapse of the thickness of the gas diffusion layer, and the thickness or diameter of the thickness holding material is A, A manufacturing method of a gas diffusion layer for a fuel cell , wherein A / B = 1.5 to 0.3, where B is a thickness when the gas diffusion layer is used .
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