JP5332554B2 - Gas diffusion layer for fuel cell, method for producing the same, and fuel cell using the same - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a gas diffusion layer for a fuel cell and its manufacturing method, which provide both high conductivity and a low cost. <P>SOLUTION: The gas diffusion layer for the fuel cell includes a porous material layer, and a conductive carbon layer existing on the surface of or inside the porous material layer or a conductive carbon particles. An intensity ratio R (I<SB>D</SB>/I<SB>G</SB>) between D-band peak intensity I<SB>D</SB>and G-band peak intensity I<SB>G</SB>measured with Raman scattering spectral analysis is 1.3 or more in the conductive carbon layer or the conductive carbon particles. In addition, an average peak measured by rotary anisotropy measurement on the basis of the Raman scattering spectral analysis of the conductive carbon layer shows a twice symmetry pattern. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&amp;INPIT

Description

本発明は、燃料電池用ガス拡散層及びその製造方法、並びにこれを用いた燃料電池に関する。   The present invention relates to a gas diffusion layer for a fuel cell, a method for producing the same, and a fuel cell using the same.

従来より使用されているガス拡散層(GDL)は、黒鉛化処理まで行った導電性の高いカーボンファイバー(CF)を用いたシート状の基材を使用している。特許文献1では、GDLとして、導電性及び通気性を有するカーボンペーパーまたはカーボンクロスが開示されている。より具体的には、炭素繊維を織布、不織布、ペーパー、クロス状に加工したものがガス透過性と導電性とを兼ね備えたものとして使用する旨が開示されている。このようなGDLの表面にカーボン層を設けて、その上に金属触媒をスパッタで配置する技術を開示している。
特開2008−153200号公報
The gas diffusion layer (GDL) conventionally used uses a sheet-like base material using carbon fiber (CF) having high conductivity that has been subjected to graphitization. Patent Document 1 discloses carbon paper or carbon cloth having electrical conductivity and air permeability as GDL. More specifically, it is disclosed that carbon fiber processed into a woven fabric, non-woven fabric, paper, or cloth is used as a material having both gas permeability and conductivity. A technique is disclosed in which a carbon layer is provided on the surface of such GDL, and a metal catalyst is disposed thereon by sputtering.
JP 2008-153200 A

しかしながら、かかる場合、2000℃以上の高温処理をするため、ガス拡散層(GDL)自体のコストが大幅に上がるという問題があった。黒鉛化を減らし、その前段階(炭素化)で終えると、コスト低減が図られるが、導電性の確保が難しいという問題もあった。一方、金属製の繊維からなるGDLにおいても、金属表面に形成される酸化皮膜によって導電性が不足するという問題があった。   However, in such a case, since the high temperature treatment at 2000 ° C. or higher is performed, there is a problem that the cost of the gas diffusion layer (GDL) itself increases significantly. If the graphitization is reduced and the process is completed in the previous stage (carbonization), the cost can be reduced, but there is also a problem that it is difficult to ensure conductivity. On the other hand, the GDL made of metal fibers also has a problem that the conductivity is insufficient due to the oxide film formed on the metal surface.

そこで本発明の目的は、高導電性と低コストとを共に実現する燃料電池用ガス拡散層を提供することである。また、本発明の他の目的は、前記燃料電池用ガス拡散層の製造方法を提供することである。   Therefore, an object of the present invention is to provide a fuel cell gas diffusion layer that achieves both high conductivity and low cost. Another object of the present invention is to provide a method for producing the gas diffusion layer for a fuel cell.

上記目的を達成するための本発明に係る燃料電池用ガス拡散層は、まず、多孔質材料層と、前記多孔質材料層の表面上または中に存在する導電性炭素層または導電性炭素粒子を含む。そして、前記導電性炭素層または導電性炭素粒子において、ラマン散乱分光分析より測定されたD−バンドピーク強度IとG−バンドピーク強度Iの強度比R(I/I)が1.3以上である。加えて、前記導電性炭素層のラマン散乱分光分析による回転異方性測定により測定された平均ピークが、2回対称パターンを示す。 In order to achieve the above object, a gas diffusion layer for a fuel cell according to the present invention comprises a porous material layer and a conductive carbon layer or conductive carbon particles present on or in the surface of the porous material layer. Including. Then, in the conductive carbon layer or a conductive carbon particles, the intensity ratio of the measured from the Raman scattering spectroscopy D- band peak intensity I D and G- band peak intensity I G R (I D / I G) is 1 .3 or more. In addition, the average peak measured by rotational anisotropy measurement by Raman scattering spectroscopy of the conductive carbon layer shows a two-fold symmetrical pattern.

本発明によれば、炭素化までの処理で抑えて低コスト化を実現しつつ、不足する導電性を表面処理によってカバーできる。また、金属製の繊維からなるガス拡散層(GDL)においても、金属表面に形成される、酸化皮膜による導電性の不足を、表面処理によって確保できる。   According to the present invention, it is possible to cover insufficient conductivity by surface treatment while realizing cost reduction by suppressing the treatment until carbonization. In addition, even in a gas diffusion layer (GDL) made of metal fibers, the lack of conductivity due to the oxide film formed on the metal surface can be secured by the surface treatment.

[第1実施形態]
本発明の第1実施形態に係る燃料電池用ガス拡散層(燃料電池用GDL)は、多孔質材料層と、前記多孔質材料層の表面上または中に存在する導電性炭素層または導電性炭素粒子を含む、燃料電池用ガス拡散層である。そして、前記導電性炭素層または導電性炭素粒子において、ラマン散乱分光分析より測定されたD−バンドピーク強度IとG−バンドピーク強度Iの強度比R(I/I)が1.3以上である。加えて、前記導電性炭素層のラマン散乱分光分析による回転異方性測定により測定された平均ピークが、2回対称パターンを示す。
[First Embodiment]
The gas diffusion layer for fuel cells (GDL for fuel cells) according to the first embodiment of the present invention includes a porous material layer and a conductive carbon layer or conductive carbon existing on or in the surface of the porous material layer. It is a gas diffusion layer for fuel cells containing particles. Then, in the conductive carbon layer or a conductive carbon particles, the intensity ratio of the measured from the Raman scattering spectroscopy D- band peak intensity I D and G- band peak intensity I G R (I D / I G) is 1 .3 or more. In addition, the average peak measured by rotational anisotropy measurement by Raman scattering spectroscopy of the conductive carbon layer shows a two-fold symmetrical pattern.

後述するように、前記多孔質材料層は、炭素繊維、金属繊維及び有機繊維よりなる群から選択される1種以上を含みうる。導電性が十分でないものとして、炭素繊維では黒鉛化されていないが、炭素化まで行われている炭素繊維が該当する。かような炭素繊維は主に、建物の強度補強部材などに使用されており、黒鉛化された炭素繊維と比較して有意に安価であるが、導電性に劣るという技術的課題がある。一方、金属繊維では、例えば貴金属で構成される繊維ならば導電性は十分に高いが、非常に高価であり実用に沿わない。これに対し、安価な金属で構成される金属繊維自体では、表面の酸化皮膜形成による導電性の不足が生じうる。換言すれば、酸化皮膜による導電性の不足が金属繊維を使用する際の技術的課題である。   As will be described later, the porous material layer may include one or more selected from the group consisting of carbon fibers, metal fibers, and organic fibers. Carbon fibers that are not graphitized with carbon fiber but have been carbonized are considered as those having insufficient conductivity. Such carbon fibers are mainly used for strength reinforcing members of buildings and the like, and are significantly cheaper than graphitized carbon fibers, but have a technical problem of poor conductivity. On the other hand, in the case of a metal fiber, for example, if the fiber is made of a noble metal, the conductivity is sufficiently high, but it is very expensive and not practical. On the other hand, in the metal fiber itself comprised with an inexpensive metal, the electroconductivity lack by surface oxide film formation may arise. In other words, the lack of conductivity due to the oxide film is a technical problem when using metal fibers.

このような技術的課題に鑑みて、本発明の技術的原理は以下の通りである。即ち、前記多孔質材料層を、導電性の十分でない安価な繊維で形成したとしても、導電性炭素層または導電性炭素粒子を前記繊維に被覆(表面処理)することによって、燃料電池に適用可能なGDLを得ることである。すなわち、本発明に係る燃料電池用GDLは、高導電性と低コストとを共に実現するGDLである。   In view of such technical problems, the technical principle of the present invention is as follows. That is, even if the porous material layer is formed of inexpensive fibers that are not sufficiently conductive, it can be applied to a fuel cell by coating (surface treatment) the conductive carbon layer or conductive carbon particles on the fibers. To get a good GDL. That is, the GDL for a fuel cell according to the present invention is a GDL that realizes both high conductivity and low cost.

なお、本明細書では、多孔質材料層が炭素繊維を含む場合の当該繊維を構成する導電性の炭素を、「多孔質材料層を構成する導電性の炭素」と称する。一方、多孔質材料層に被覆する導電性の炭素(導電性炭素層または導電性炭素粒子)を、単に「導電性の炭素」とも称し、双方の導電性の炭素を区別する。   In the present specification, the conductive carbon constituting the fiber in the case where the porous material layer includes carbon fiber is referred to as “conductive carbon constituting the porous material layer”. On the other hand, the conductive carbon (conductive carbon layer or conductive carbon particles) coated on the porous material layer is also simply referred to as “conductive carbon” to distinguish both conductive carbons.

本実施形態によれば、多孔質材料層上に導電性炭素層または導電性炭素粒子を配置してなる燃料電池用GDLと、隣接する部材との接触抵抗が有意に低減する。また、導電性炭素層または導電性炭素粒子の配置によって、多孔質材料層を構成する多孔質材料の細孔径コントロールが可能となり、燃料電池内の気液排出向上に効果的である。なお、前記導電性炭素層は多孔質材料層の表面上に存在するか、多孔質材料層(繊維質)の中(内部)に存在する。一方、導電性炭素粒子は多孔質材料層(繊維質)の中(内部)に存在する場合がほとんどである。   According to the present embodiment, the contact resistance between the fuel cell GDL formed by disposing the conductive carbon layer or the conductive carbon particles on the porous material layer and the adjacent member is significantly reduced. Further, the arrangement of the conductive carbon layer or the conductive carbon particles makes it possible to control the pore diameter of the porous material constituting the porous material layer, which is effective in improving gas-liquid discharge in the fuel cell. The conductive carbon layer is present on the surface of the porous material layer or in (inside) the porous material layer (fiber). On the other hand, in most cases, the conductive carbon particles are present in (inside) the porous material layer (fiber).

以下、添付した図面を参照して本発明を適用した最良の実施形態を説明する。なお、本発明は、以下の実施形態のみには制限されない。また、図面の寸法比率は、説明の都合上誇張されており、実際の比率とは異なる場合がある。   DESCRIPTION OF EXEMPLARY EMBODIMENTS Hereinafter, exemplary embodiments to which the invention is applied will be described with reference to the accompanying drawings. In addition, this invention is not restrict | limited only to the following embodiment. In addition, the dimensional ratios in the drawings are exaggerated for convenience of explanation, and may be different from the actual ratios.

図1は、本発明の一の実施形態に係る固体高分子型燃料電池(PEFC)1の基本構成を示す概略図である。   FIG. 1 is a schematic diagram showing a basic configuration of a polymer electrolyte fuel cell (PEFC) 1 according to an embodiment of the present invention.

水素イオンを選択的に輸送する固体高分子電解質膜2の両面には、アノード触媒層3a及びカソード触媒層3cがそれぞれ密着して配置されている。なお、触媒層(3a、3c)は、一般に、白金系の金属触媒を担持したカーボン粉末を主成分とする。さらに、触媒層(3a、3c)の外面にはそれぞれ、ガス透過性と導電性とを兼ね備えた、アノードガス拡散層4a及びカソードガス拡散層4cが密着して配置されている。上記ガス拡散層はガス拡散電極を構成する。また、前記ガス拡散層(4a、4c)及び固体高分子電解質膜2から膜電極接合体(MEA)10が構成される。   An anode catalyst layer 3a and a cathode catalyst layer 3c are disposed in close contact with both surfaces of the solid polymer electrolyte membrane 2 that selectively transports hydrogen ions. The catalyst layers (3a, 3c) are generally composed mainly of carbon powder carrying a platinum-based metal catalyst. Furthermore, the anode gas diffusion layer 4a and the cathode gas diffusion layer 4c, which have both gas permeability and conductivity, are disposed in close contact with the outer surfaces of the catalyst layers (3a, 3c), respectively. The gas diffusion layer constitutes a gas diffusion electrode. A membrane electrode assembly (MEA) 10 is constituted by the gas diffusion layers (4a, 4c) and the solid polymer electrolyte membrane 2.

ガス拡散層(4a、4c)は、セパレータのガス流路(6a、6c)を介して供給されたガス(燃料ガスまたは酸化剤ガス)の触媒層(3a、3c)への拡散を促進する機能、及び電子伝導パスとしての機能を有する。   The gas diffusion layers (4a, 4c) promote the diffusion of the gas (fuel gas or oxidant gas) supplied through the gas flow paths (6a, 6c) of the separator to the catalyst layers (3a, 3c). And function as an electron conduction path.

前記ガス拡散電極の外側には、膜電極接合体(MEA)10を機械的に接合するとともに、隣接するMEA同士を、互いに電気的に直列となるよう接続する導電性アノードセパレータ5a及びカソードセパレータ5cが配置されている。かかるアノードセパレータ5a及びカソードセパレータ5cの一方の面にはそれぞれ、前記ガス拡散電極に反応ガスを供給し、反応により発生した水及び過剰なガスを運び去るためのアノードガス流路6a及びカソードガス流路6cが形成されている。このようにして作製される単電池を一方向に積み重ねて積層体を構成している。   A membrane electrode assembly (MEA) 10 is mechanically joined to the outside of the gas diffusion electrode, and adjacent MEAs are electrically connected to each other so as to be electrically in series with each other, a conductive anode separator 5a and a cathode separator 5c. Is arranged. On one surface of the anode separator 5a and the cathode separator 5c, a reaction gas is supplied to the gas diffusion electrode, and an anode gas flow path 6a and a cathode gas flow for carrying away water and excess gas generated by the reaction. A path 6c is formed. The unit cells thus produced are stacked in one direction to constitute a laminate.

ここで、ガス拡散層(4a、4c)として、本実施形態に係る燃料電池用GDLを用いることにより、高導電性と低コストとを共に実現することができる。ひいては、高性能かつ安価な固体高分子型燃料電池(PEFC)1を得ることができる。   Here, by using the GDL for fuel cell according to the present embodiment as the gas diffusion layers (4a, 4c), both high conductivity and low cost can be realized. As a result, a high performance and inexpensive polymer electrolyte fuel cell (PEFC) 1 can be obtained.

図2は、図1のうち、ガス拡散層(4a、4c)の部分の概略構成を示す断面図である。本実施形態において、ガス拡散層51は、導電部材として多孔質材料層52及び導電性炭素層54を必須に有する。そして、これらの層間には、必須ではないが、中間層56が介在している。ここで、図2におけるガス拡散層の断面図は、多孔質材料層の上に中間層及び導電性炭素層が積層された構造を示している。しかし、本実施形態の断面図はこれに限られず、その他として、繊維で構成される多孔質材料層の中(内部)に中間層及び導電性炭素層が「積層」されたような構造などもありうる。ここで、本明細書における「積層」とは、ある層の上(または下)に積まれた層を意味する場合に限らず、ある層の中(内部)に構成される層を意味する場合もある。そして、本実施形態ではいずれか一方の「積層」形態のみならず、両方の「積層」形態を共に有する1つのガス拡散層であってもよい。   FIG. 2 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of the gas diffusion layers (4a, 4c) in FIG. In the present embodiment, the gas diffusion layer 51 essentially includes a porous material layer 52 and a conductive carbon layer 54 as conductive members. An intermediate layer 56 is interposed between these layers, although it is not essential. Here, the sectional view of the gas diffusion layer in FIG. 2 shows a structure in which an intermediate layer and a conductive carbon layer are laminated on the porous material layer. However, the cross-sectional view of the present embodiment is not limited to this, and in addition, a structure in which an intermediate layer and a conductive carbon layer are “laminated” in (inside) a porous material layer composed of fibers is also possible. It is possible. Here, “lamination” in this specification is not limited to a layer stacked on (or under) a certain layer, but refers to a layer configured in (inside) a certain layer. There is also. In the present embodiment, not only one “laminated” form but also one gas diffusion layer having both “laminated” forms may be used.

また、図2には親水化層58も示されているが、これについては後述する。なお、PEFC1において、セパレータ(5a、5c)は、導電性炭素層54がMEA10側に位置するように、配置される。以下、燃料電池用GDLの各構成要素について詳説する。   FIG. 2 also shows a hydrophilic layer 58, which will be described later. In PEFC1, the separators (5a, 5c) are arranged so that the conductive carbon layer 54 is located on the MEA 10 side. Hereinafter, each component of the fuel cell GDL will be described in detail.

<多孔質材料層>
多孔質材料層52は、シート状の多孔質材料を基本的な構成とする。そして、場合によって、多孔質材料層は、後述するような導電性炭素層及び/または導電性炭素粒子、並びに/あるいは金属で構成される中間層及び/または前記金属を含む。
<Porous material layer>
The porous material layer 52 is basically composed of a sheet-like porous material. In some cases, the porous material layer includes a conductive carbon layer and / or conductive carbon particles as described later, and / or an intermediate layer composed of a metal and / or the metal.

多孔質材料層52は、炭素繊維、金属繊維及び有機繊維よりなる群から選択される1種以上を含むことが好ましい。かような場合、多孔質材料層の製造の際の焼成工程において、繊維同士が融着する際に、それらの界面における電気抵抗を低減することができる。換言すれば、かような場合、繊維同士の融着によって導電性が有意に高くなるという利点がある。   The porous material layer 52 preferably contains one or more selected from the group consisting of carbon fibers, metal fibers, and organic fibers. In such a case, the electrical resistance at the interface between the fibers can be reduced when the fibers are fused in the firing step in the production of the porous material layer. In other words, in such a case, there is an advantage that the conductivity is significantly increased by the fusion of the fibers.

図3は、多孔質材料層の表面を微視的に表した概略図である。スパッタによる導電性炭素層の成膜(積層)は、ターゲット(導電性の炭素)がスパッタリングによって多孔質材料層に対し直線状に向かってくる。そのため、導電性炭素層または導電性炭素粒子は、スパッタ方向に対して露出した繊維表面にのみ積層(堆積)されうる。したがって、繊維基材自体の角度を変えること、言い換えれば細孔径を適宜調節することにより、当該表面のうち、より広い面上に導電性炭素層または導電性炭素粒子を配置することができる。   FIG. 3 is a schematic view microscopically showing the surface of the porous material layer. In the formation (lamination) of the conductive carbon layer by sputtering, the target (conductive carbon) is linearly directed to the porous material layer by sputtering. Therefore, the conductive carbon layer or the conductive carbon particles can be laminated (deposited) only on the fiber surface exposed to the sputtering direction. Therefore, by changing the angle of the fiber substrate itself, in other words, by appropriately adjusting the pore diameter, the conductive carbon layer or the conductive carbon particles can be disposed on a wider surface among the surfaces.

また、図3に示されるように、炭素繊維などで構成される多孔質材料層52は、多数の繊維(カーボンファイバー(CF)53)が重なったような状態にある。多孔質材料層52に対して導電性炭素層54をスパッタにより成膜(積層)すると、図3(矢印)に示すように、多孔質材料層52の主表面へターゲット(導電性の炭素)がスパッタされることとなる。すなわち、導電性炭素層は、多孔質材料層の最表面のみならず、その近傍(多孔質材料層の表面に露出している部分)にも形成されうる。換言すれば、導電性炭素層は、図2に示すような多孔質材料層の表面上に積層される形態のみならず、多孔質材料層の中のみに存在する形態、並びに多孔質材料層の表面上及び多孔質材料層の中の双方に存在する形態も採り得る。   Further, as shown in FIG. 3, the porous material layer 52 composed of carbon fibers or the like is in a state where a large number of fibers (carbon fibers (CF) 53) are overlapped. When the conductive carbon layer 54 is deposited (laminated) on the porous material layer 52 by sputtering, a target (conductive carbon) is placed on the main surface of the porous material layer 52 as shown in FIG. It will be sputtered. That is, the conductive carbon layer can be formed not only on the outermost surface of the porous material layer but also in the vicinity thereof (portion exposed on the surface of the porous material layer). In other words, the conductive carbon layer is not only in the form laminated on the surface of the porous material layer as shown in FIG. 2, but also in the form existing only in the porous material layer, and in the porous material layer. Forms that exist both on the surface and in the porous material layer may also be employed.

また、多孔質材料層を構成する繊維同士の配置関係として、繊維径(太さ)を適当に調節することにより、導電性の向上と圧損の防止とを共に実現できうる。具体的には、繊維径が大きいほど(繊維の1本が太いほど)、繊維中の空隙が大きくなる反面、繊維1本1本の接点の数が減少する。そのため、導電性はより低下するが圧損はより防止しうる。反対に、繊維径が小さいほど(繊維の1本が細いほど)、繊維中の空隙が小さくなる反面、繊維1本1本の接点の数が増大する。そのため、導電性はより上昇するが圧損の影響がより大きくなりうる。したがって、繊維径を適度な範囲に調節することが好ましい。   Further, by appropriately adjusting the fiber diameter (thickness) as the positional relationship between the fibers constituting the porous material layer, both improvement in conductivity and prevention of pressure loss can be realized. Specifically, the larger the fiber diameter (the thicker one of the fibers), the larger the voids in the fiber, but the number of contacts per fiber decreases. Therefore, the electrical conductivity is further reduced, but the pressure loss can be further prevented. On the other hand, the smaller the fiber diameter (the thinner one of the fibers), the smaller the voids in the fiber, but the number of contacts per fiber increases. Therefore, the conductivity is further increased, but the influence of the pressure loss can be further increased. Therefore, it is preferable to adjust the fiber diameter to an appropriate range.

本明細書における「炭素繊維」とは、原料である繊維を不活性雰囲気中1000℃以上の温度にて焼成して得られる繊維を意味する。かかる炭素繊維としては、以下に限定されることはないが、例えば、ポリアクリロニトリル(PAN)系炭素繊維、ピッチ系炭素繊維、フェノール系炭素繊維、及び気相成長による炭素繊維などが挙げられる。PAN系炭素繊維とは、PANが主成分の合成繊維を原料とする繊維である。一方、ピッチ系炭素繊維とは、石油・石炭・合成ピッチ等を原料とする繊維である。   The “carbon fiber” in the present specification means a fiber obtained by firing a raw material fiber in an inert atmosphere at a temperature of 1000 ° C. or higher. Examples of such carbon fibers include, but are not limited to, polyacrylonitrile (PAN) based carbon fibers, pitch based carbon fibers, phenol based carbon fibers, and vapor grown carbon fibers. The PAN-based carbon fiber is a fiber made of synthetic fiber whose main component is PAN. On the other hand, the pitch-based carbon fiber is a fiber made from petroleum, coal, synthetic pitch or the like.

炭素繊維の平均繊維径は、原料となるPANやピッチの仕様や製造方法によって好ましい範囲が異なる。なお、従来より市販されているもののうち、平均繊維径の範囲として、PAN系では5〜10μm、ピッチ系では5〜20μm、気相成長では数μmである各炭素繊維を用いることができる。一方、本発明に係る燃料電池用GDLに使用可能な炭素繊維の平均繊維長は、特に制限されないが、一般に使用される10mm以下(より好ましくは3〜6mm)のチョップドファイバーを抄紙して用いることができる。   The preferred range of the average fiber diameter of the carbon fibers varies depending on the specifications of the PAN and pitch as a raw material and the manufacturing method. Among the commercially available products, the average fiber diameter may be 5 to 10 μm for PAN, 5 to 20 μm for pitch, and several μm for vapor phase growth. On the other hand, the average fiber length of carbon fibers that can be used in the GDL for fuel cells according to the present invention is not particularly limited, but paper made from generally used chopped fibers of 10 mm or less (more preferably 3 to 6 mm) is used. Can do.

炭素繊維は、電気抵抗率が低いため、多孔質材料層に含まれると、触媒層で発生する電荷をより効率的に集電できうる。また、炭素繊維はその優れた比強度・比弾性率から、宇宙航空などの幅広い分野において、各種複合材の強化材として従来より工業的に利用されている。なかでも工業上広く利用されている炭素繊維であるが故に、PAN系炭素繊維またはピッチ系炭素繊維が好ましい。   Since the carbon fiber has a low electric resistivity, when it is contained in the porous material layer, the electric charge generated in the catalyst layer can be collected more efficiently. Carbon fiber has been industrially used as a reinforcing material for various composite materials in a wide range of fields such as aerospace due to its excellent specific strength and specific elastic modulus. Of these, PAN-based carbon fibers or pitch-based carbon fibers are preferred because they are carbon fibers widely used in industry.

さらにいえば、汎用性、コストパフォーマンスや高導電性という観点より、多孔質材料層は、PAN系もしくはピッチ系炭素繊維であって黒鉛化(脱炭素化)された繊維を含まない炭素化された繊維であることが特に好ましい。ここで、前記「黒鉛化(脱炭素化)された繊維を含まない」とは、繊維を形成する炭素原子鎖の途中に炭素以外の元素(N、O等)が含まれないことを意味する。以下、かかる繊維が特に好ましい理由を説明する。   Furthermore, from the viewpoint of versatility, cost performance, and high conductivity, the porous material layer is carbonized that does not include PAN-based or pitch-based carbon fibers and graphitized (decarbonized) fibers. A fiber is particularly preferred. Here, “not containing graphitized (decarbonized) fibers” means that elements other than carbon (N, O, etc.) are not included in the middle of the carbon atom chain forming the fibers. . Hereinafter, the reason why such a fiber is particularly preferable will be described.

PAN系炭素繊維は主に強度や伸度に優れる反面、難黒鉛化性であるため、弾性率が低いという問題がある。弾性率向上を図るため、一般に約2200〜3000℃という高温での焼成が必要不可欠となるが、同時に強度が低下してしまうという問題がある。また高温焼成による炉の低寿命化など、高コスト化を避けることは極めて困難であり、工業的規模では不利になりうる。   While PAN-based carbon fibers are mainly excellent in strength and elongation, they have a problem of low elastic modulus because they are non-graphitizable. In order to improve the elastic modulus, generally, firing at a high temperature of about 2200 to 3000 ° C. is indispensable, but there is a problem that the strength is reduced at the same time. In addition, it is extremely difficult to avoid high costs such as shortening the life of the furnace by high-temperature firing, which can be disadvantageous on an industrial scale.

一方、ピッチ系炭素繊維については、等方性ピッチ由来のものと異方性ピッチ由来のものとに大別できるが、高性能を発現する上で、一般に異方性ピッチが用いられる。異方性ピッチ由来の炭素繊維は、その原料(異方性ピッチ)の易黒鉛化の性質から弾性や強度に優れる反面、伸度が低くなるという問題がある。そのため、工業的には炭素繊維の生産性や複合化の際のハンドリング性に劣る可能性がある。   On the other hand, pitch-based carbon fibers can be broadly classified into those derived from isotropic pitches and those derived from anisotropic pitches, but anisotropic pitches are generally used in order to develop high performance. The carbon fiber derived from anisotropic pitch is excellent in elasticity and strength due to the graphitizable nature of the raw material (anisotropic pitch), but has a problem of low elongation. Therefore, industrially, there is a possibility that the productivity of carbon fiber and the handling property at the time of compounding are inferior.

これらのPAN系炭素繊維やピッチ系炭素繊維に存する問題に鑑みて、PAN系炭素繊維とピッチ系炭素繊維の両者の欠点を補うために、両者の複合化の検討が種々なされている。しかし、工程の複雑化に起因するコストアップや品質の低下等、多くの問題があり、工業上利用することは困難であるというのが現実である。   In view of the problems existing in these PAN-based carbon fibers and pitch-based carbon fibers, various studies have been made on combining the PAN-based carbon fibers and the pitch-based carbon fibers in order to compensate for the disadvantages of both the PAN-based carbon fibers and the pitch-based carbon fibers. However, there are many problems such as an increase in cost and a decrease in quality due to the complexity of the process, and the reality is that it is difficult to use industrially.

これに対し、本実施形態では、PAN系もしくはピッチ系炭素繊維であって黒鉛化(脱炭素化)された繊維を含まない炭素化された繊維で多孔質材料層を構成することにより、上記のような問題は生じない。そして、黒鉛化繊維を含まないPAN系もしくはピッチ系炭素繊維で構成される多孔質材料層において低コストを図る代償としての導電性の低下については、後述する導電性炭素層の存在によってカバーすることができる。このようにして、本実施形態に係る燃料電池用ガス拡散層は、高導電性と低コストとを共に実現することができる。なお、本明細書における「黒鉛化繊維」とは、炭素繊維の弾性率を向上させる目的で、不活性ガス雰囲気中2000℃以上の温度で焼成して得られる繊維を意味する。   On the other hand, in the present embodiment, the porous material layer is composed of carbonized fibers that do not include graphitized (decarbonized) fibers that are PAN-based or pitch-based carbon fibers. Such a problem does not occur. And, in the porous material layer composed of PAN-based or pitch-based carbon fiber not containing graphitized fiber, the decrease in conductivity as a compensation for reducing the cost is covered by the presence of the conductive carbon layer described later. Can do. In this way, the fuel cell gas diffusion layer according to the present embodiment can achieve both high conductivity and low cost. The “graphitized fiber” in the present specification means a fiber obtained by firing at a temperature of 2000 ° C. or higher in an inert gas atmosphere for the purpose of improving the elastic modulus of the carbon fiber.

図4は、PAN系炭素繊維の製造の各工程における繊維の変化を示す概略図である。従来より、PAN系炭素繊維に高い導電性を付与するために、最終的に黒鉛化処理を施すことにより結晶化させている。このような、PAN系炭素繊維の製造に際して、従来より行われている黒鉛化処理は、多孔質材料層の大幅な導電性向上を実現する反面、多孔質材料自体が大幅にコストアップしてしまう。すなわち、PAN系炭素繊維の製造の中でも、黒鉛化処理に大部分のコストが費やされる。これに対し、本実施形態に係るガス拡散層がPAN系炭素繊維を含む場合、PAN系炭素繊維の製造において黒鉛化処理を行わない。したがって、図4に示すように、変化した繊維は黒鉛化繊維ではなく炭素化繊維と言い得る。しかし、前記炭素化繊維には、「炭素−炭素」結合の途中に窒素原子が存在するため、PAN系炭素繊維としての導電性は、黒鉛化繊維よりも炭素化繊維の方がはるかに劣る。   FIG. 4 is a schematic view showing changes in fibers in each step of manufacturing PAN-based carbon fibers. Conventionally, in order to impart high conductivity to the PAN-based carbon fiber, it is finally crystallized by performing a graphitization treatment. In the production of such a PAN-based carbon fiber, the graphitization treatment that has been conventionally performed realizes a significant improvement in the conductivity of the porous material layer, while the cost of the porous material itself greatly increases. . That is, most of the cost is spent on the graphitization treatment in the production of the PAN-based carbon fiber. On the other hand, when the gas diffusion layer according to the present embodiment includes PAN-based carbon fibers, no graphitization treatment is performed in the manufacture of the PAN-based carbon fibers. Therefore, as shown in FIG. 4, the changed fibers can be referred to as carbonized fibers rather than graphitized fibers. However, since the carbonized fiber has a nitrogen atom in the middle of the “carbon-carbon” bond, the conductivity of the PAN-based carbon fiber is much lower than that of the graphitized fiber.

そこで、本実施形態によれば、前記多孔質材料層の表面上または中に存在する導電性炭素層または導電性炭素粒子を含むことによって、黒鉛化処理を実施しなくても、結果的に高い導電性を得ることができる。これにより、高い導電性と大幅なコストダウンとを共に実現できる。さらに、従来より行われている黒鉛化処理によって、多孔質材料層中の気孔率が上がりすぎる場合がある。これに対し、本実施形態によれば、前記多孔質材料層の表面上または中に存在する導電性炭素層または導電性炭素粒子を含むという構成によって、黒鉛化処理の省略が可能となり、余計な高気孔率化を防止できる。   Therefore, according to the present embodiment, by including the conductive carbon layer or the conductive carbon particles present on or in the surface of the porous material layer, the result is high even without performing graphitization treatment. Conductivity can be obtained. Thereby, both high conductivity and a significant cost reduction can be realized. Furthermore, the porosity in the porous material layer may be excessively increased by the graphitization treatment that has been conventionally performed. On the other hand, according to the present embodiment, the configuration including the conductive carbon layer or the conductive carbon particles present on or in the surface of the porous material layer enables the graphitization treatment to be omitted, which is unnecessary. High porosity can be prevented.

有機繊維とは、導電化した樹脂繊維を意味する。前記導電化した樹脂繊維とは、炭素原子を多く含み、焼成によって容易に炭素化されて炭素繊維を形成し、その結果、導電性が発現する繊維のことである。有機繊維としては、以下に制限されることはないが、例えば、フェノール系樹脂繊維、ポリアクリロニトリル繊維、ポリエチレンテレフタレート繊維やポリブチレンテレフタレート繊維などが挙げられる。なかでも、一層確実に導電性を確保できるという観点より、多孔質材料層はフェノール系樹脂繊維を含むことが好ましい。   The organic fiber means a conductive resin fiber. The conductive resin fiber is a fiber that contains many carbon atoms and is easily carbonized by firing to form a carbon fiber, and as a result, exhibits conductivity. Examples of the organic fiber include, but are not limited to, phenolic resin fiber, polyacrylonitrile fiber, polyethylene terephthalate fiber, and polybutylene terephthalate fiber. Especially, it is preferable that a porous material layer contains a phenol-type resin fiber from a viewpoint that electrical conductivity can be ensured more reliably.

有機繊維の繊維径の範囲として、以下に限定されることはないが、好ましくは50〜5μm、より好ましくは30〜10μmである。一方、本発明に係る燃料電池用GDLに使用可能な有機繊維の繊維長は、有機繊維の状態ではチョップドされないことから、特に制限されない。   The range of the fiber diameter of the organic fiber is not limited to the following, but is preferably 50 to 5 μm, more preferably 30 to 10 μm. On the other hand, the fiber length of the organic fiber that can be used in the fuel cell GDL according to the present invention is not particularly limited because it is not chopped in the state of the organic fiber.

金属繊維としては、以下に限定されることはなく、例えば、鉄、チタン、アルミニウム及び銅並びにこれらの合金;ステンレス;金や銀などの貴金属の繊維が挙げられる。なかでも、機械的強度、汎用性、コスト面、加工容易性や高導電性の観点からいえば、多孔質材料層52はステンレス、アルミニウムまたはアルミニウム合金の繊維を含むことが好ましい。特に、機械的強度、汎用性、コスト面、加工容易性や高導電性のみならず、燃料電池セル内の酸性雰囲気に十分な耐性を有するため、多孔質材料層52はステンレスの繊維を含むことが一層好ましい。なお、多孔質材料層がステンレス繊維を含む場合、セパレータを構成する多孔質材料層との接触面の導電性が十分に確保されうる。その結果、たとえリブ肩部の膜の隙間などに水分が浸入したとしても、ステンレスから構成される多孔質材料層自体に生じる酸化皮膜の有する耐食性によって、セパレータの耐久性が維持されうるという波及的な効果を奏する。   The metal fiber is not limited to the following, and examples thereof include iron, titanium, aluminum, copper and alloys thereof; stainless steel; and fibers of noble metals such as gold and silver. Among these, from the viewpoint of mechanical strength, versatility, cost, ease of processing, and high conductivity, the porous material layer 52 preferably includes stainless steel, aluminum, or aluminum alloy fibers. In particular, the porous material layer 52 contains stainless steel fibers in order to have not only mechanical strength, versatility, cost, ease of processing and high conductivity, but also sufficient resistance to an acidic atmosphere in the fuel cell. Is more preferable. In addition, when a porous material layer contains a stainless fiber, the electroconductivity of a contact surface with the porous material layer which comprises a separator can fully be ensured. As a result, the durability of the separator can be maintained by the corrosion resistance of the oxide film formed on the porous material layer itself made of stainless steel even if moisture enters the gaps in the rib shoulder film. Has an effect.

金属繊維の繊維径の範囲として、以下に限定されることはないが、好ましくは100〜1μm、より好ましくは50〜5μm、さらに好ましくは20〜5μmである。一方、本発明に係る燃料電池用GDLに使用可能な金属繊維の繊維長は、特に制限されないが、一般に使用される10mm以下(より好ましくは10〜5mm)のチョップドファイバーを抄紙して用いることができる。   Although it does not limit to the following as a range of the fiber diameter of a metal fiber, Preferably it is 100-1 micrometer, More preferably, it is 50-5 micrometers, More preferably, it is 20-5 micrometers. On the other hand, the fiber length of the metal fiber that can be used in the GDL for fuel cell according to the present invention is not particularly limited, but it is possible to make a paper of chopped fiber of 10 mm or less (more preferably 10 to 5 mm) that is generally used. it can.

ステンレスとしては、オーステナイト系、マルテンサイト系、フェライト系、オーステナイト・フェライト系、析出硬化系などが挙げられる。オーステナイト系としては、SUS201、SUS202、SUS301、SUS302、SUS303、SUS304、SUS305、SUS316(L)、SUS317が挙げられる。オーステナイト・フェライト系としては、SUS329J1が挙げられる。マルテンサイト系としては、SUS403、SUS420が挙げられる。フェライト系としては、SUS405、SUS430、SUS430LXが挙げられる。析出硬化系としては、SUS630が挙げられる。なかでも、SUS304、SUS316等のオーステナイト系ステンレスを用いることがより好ましい。また、ステンレス中の鉄(Fe)の含有率は、好ましくは60〜84質量%であり、より好ましくは65〜72質量%である。さらに、ステンレス中のクロム(Cr)の含有率は、好ましくは16〜20質量%であり、より好ましくは16〜18質量%である。   Examples of stainless steel include austenite, martensite, ferrite, austenite / ferrite, and precipitation hardening. Examples of austenite include SUS201, SUS202, SUS301, SUS302, SUS303, SUS304, SUS305, SUS316 (L), and SUS317. Examples of the austenite-ferrite type include SUS329J1. Examples of the martensite system include SUS403 and SUS420. Examples of the ferrite type include SUS405, SUS430, and SUS430LX. Examples of the precipitation hardening system include SUS630. Among these, it is more preferable to use austenitic stainless steel such as SUS304 and SUS316. Moreover, the content rate of iron (Fe) in stainless steel becomes like this. Preferably it is 60-84 mass%, More preferably, it is 65-72 mass%. Furthermore, the content of chromium (Cr) in the stainless steel is preferably 16 to 20% by mass, and more preferably 16 to 18% by mass.

アルミニウム合金としては、純アルミニウム系、及びアルミニウム・マンガン系、アルミニウム・マグネシウム系などが挙げられる。アルミニウム合金中におけるアルミニウム以外の元素については、アルミニウム合金として一般に使用可能なものであれば特に制限されることはない。例えば、銅、マンガン、ケイ素、マグネシウム、亜鉛及びニッケルなどがアルミニウム合金に含まれうる。アルミニウム合金の具体例として、純アルミニウム系としてはA1050、A1050Pが挙げられ、アルミニウム・マンガン系としてはA3003P、A3004Pが挙げられ、アルミニウム・マグネシウム系としてはA5052P、A5083Pが挙げられる。一方で、セパレータには機械的な強度や成形性も求められるため、上記の合金種に加えて、合金の調質も適宜選択されうる。なお、多孔質材料層52がチタンやアルミニウムの単体から構成される場合、当該チタンやアルミニウムの純度は、好ましくは95質量%以上であり、より好ましくは97質量%以上であり、さらに好ましくは99質量%以上である。   Examples of the aluminum alloy include pure aluminum, aluminum / manganese, and aluminum / magnesium. The elements other than aluminum in the aluminum alloy are not particularly limited as long as they are generally usable as an aluminum alloy. For example, copper, manganese, silicon, magnesium, zinc and nickel can be included in the aluminum alloy. Specific examples of the aluminum alloy include A1050 and A1050P as the pure aluminum system, A3003P and A3004P as the aluminum / manganese system, and A5052P and A5083P as the aluminum / magnesium system. On the other hand, since the separator is also required to have mechanical strength and formability, the tempering of the alloy can be appropriately selected in addition to the above alloy types. When the porous material layer 52 is composed of a simple substance of titanium or aluminum, the purity of the titanium or aluminum is preferably 95% by mass or more, more preferably 97% by mass or more, and further preferably 99%. It is at least mass%.

ここで、前記多孔質材料層は、炭素繊維、金属繊維及び有機繊維よりなる群から選択される2種以上を含んでもよい。前記多孔質材料層を構成する繊維が、炭素繊維及び金属繊維からなる場合を例に説明する。これら炭素繊維及び金属繊維の関係は、繊維の任意の1本が炭素繊維であって他の1本が金属繊維であるような形態でもよいし、1本の炭素繊維を被覆するように、外周縁に金属繊維が存在する形態であってもよい。   Here, the porous material layer may include two or more selected from the group consisting of carbon fibers, metal fibers, and organic fibers. The case where the fiber which comprises the said porous material layer consists of a carbon fiber and a metal fiber is demonstrated to an example. The relationship between these carbon fibers and metal fibers may be such that any one of the fibers is a carbon fiber and the other one is a metal fiber. The form in which a metal fiber exists in the periphery may be sufficient.

また、前記多孔質材料層は、導電性を有さない繊維その他の成分を含んでもよい。しかし、本実施形態に係るガス拡散層が十分な導電性を有するという観点から、多孔質材料層の構成成分を100質量%とした場合に、前記導電性を有さない成分の含有量は50質量%以下であることが好ましい。また、10質量%以下であることがより好ましく、多孔質材料層が導電性を有さない成分を実質的に含まないことが特に好ましい。   In addition, the porous material layer may include fibers and other components that do not have conductivity. However, from the viewpoint that the gas diffusion layer according to this embodiment has sufficient conductivity, when the constituent component of the porous material layer is 100% by mass, the content of the component having no conductivity is 50. It is preferable that it is below mass%. Moreover, it is more preferable that it is 10 mass% or less, and it is especially preferable that a porous material layer does not contain the component which does not have electroconductivity substantially.

<導電性炭素層>
導電性炭素層54は、導電性炭素を含む層である。そして、上述のように、多孔質材料層において低コストを図る代償としての導電性の低下を、導電性炭素層の存在によってカバーすることができる。これは、特に炭素繊維(なかでもPAN系もしくはピッチ系炭素繊維)の場合が該当する。また、多孔質材料層として金属繊維を用いた場合には、導電性炭素層の存在により、ガス拡散層としての導電性を確保しつつ、多孔質材料層52のみの場合と比較して耐食性が改善されうる。
<Conductive carbon layer>
The conductive carbon layer 54 is a layer containing conductive carbon. And as above-mentioned, the electroconductive fall as a price which aims at low cost in a porous material layer can be covered by presence of an electroconductive carbon layer. This is particularly the case for carbon fibers (in particular, PAN-based or pitch-based carbon fibers). Further, when metal fibers are used as the porous material layer, the presence of the conductive carbon layer ensures corrosion resistance as compared with the case of only the porous material layer 52 while ensuring the conductivity as the gas diffusion layer. It can be improved.

本実施形態における導電性炭素層または導電性炭素粒子において、ラマン散乱分光分析より測定されたD−バンドピーク強度IとG−バンドピーク強度Iの強度比R(I/I)が1.3以上である。加えて、前記導電性炭素層のラマン散乱分光分析による回転異方性測定により測定された平均ピークが、2回対称パターンを示す。 In the conductive carbon layer or a conductive carbon particles in the present embodiment, the intensity ratio of the measured from the Raman scattering spectroscopy D- band peak intensity I D and G- band peak intensity I G R (I D / I G) is 1.3 or more. In addition, the average peak measured by rotational anisotropy measurement by Raman scattering spectroscopy of the conductive carbon layer shows a two-fold symmetrical pattern.

後述するが、強度比R(I/I)が1.3以上である前記導電性炭素層または導電性炭素粒子の大部分は、多孔質材料層の表面上または中に導電性炭素層であって、多結晶グラファイトとして存在する。そして、前記「多結晶グラファイト」とは、グラフェン面(六角網面)が積層した異方性のグラファイト結晶構造(グラファイトクラスター)を有する。したがって、前記導電性炭素層または導電性炭素粒子の少なくとも大部分は、その強度比R(I/I)が1.3以上であるが故に、導電性炭素層を構成し、より具体的にはグラフェン面を有する積層体を構成する。 As will be described later, most of the conductive carbon layer or the conductive carbon particles having an intensity ratio R (I D / I G ) of 1.3 or more is formed on or in the surface of the porous material layer. And exists as polycrystalline graphite. The “polycrystalline graphite” has an anisotropic graphite crystal structure (graphite cluster) in which graphene surfaces (hexagonal network surfaces) are laminated. Therefore, at least most of the conductive carbon layer or the conductive carbon particles have a strength ratio R (I D / I G ) of 1.3 or more, and thus constitute a conductive carbon layer. A laminate having a graphene surface is formed.

炭素材料をラマン分光法により分析すると、通常1350cm−1付近及び1584cm−1付近にピークが生じる。結晶性の高いグラファイトは、1584cm−1付近にシングルピークを有し、このピークは通常、「Gバンド」と称される。一方、結晶性が低くなる(結晶構造欠陥が増す)につれて、1350cm−1付近のピークが現れてくる。このピークは通常、「Dバンド」と称される(なお、ダイヤモンドのピークは厳密には1333cm−1であり、上記Dバンドとは区別される)。Dバンドピーク強度(I)とGバンドピーク強度(I)との強度比R(I/I)は、炭素材料のグラファイトクラスターサイズやグラファイト構造の乱れ具合(結晶構造欠陥性)、sp結合比率などの指標として用いられる。すなわち、本発明においては、導電性炭素層54の接触抵抗の指標とすることができ、導電性炭素層54の導電性を制御する膜質パラメータとして用いることができる。 When the carbon material is analyzed by Raman spectroscopy, peaks are usually generated around 1350 cm −1 and 1584 cm −1 . Highly crystalline graphite has a single peak near 1584 cm −1 , and this peak is usually referred to as the “G band”. On the other hand, a peak near 1350 cm −1 appears as the crystallinity decreases (crystal structure defects increase). This peak is usually referred to as the “D band” (note that the peak of diamond is strictly 1333 cm −1 and is distinct from the D band). The intensity ratio R (I D / I G ) between the D band peak intensity (I D ) and the G band peak intensity (I G ) is the graphite cluster size of the carbon material and the disorder of the graphite structure (crystal structure defect), Used as an index such as sp 2 bond ratio. That is, in the present invention, it can be used as an index of contact resistance of the conductive carbon layer 54 and can be used as a film quality parameter for controlling the conductivity of the conductive carbon layer 54.

R(I/I)値は、顕微ラマン分光器を用いて、炭素材料のラマンスペクトルを計測することにより算出される。具体的には、Dバンドと呼ばれる1300〜1400cm−1のピーク強度(I)と、Gバンドと呼ばれる1500〜1600cm−1のピーク強度(I)との相対的強度比(ピーク面積比(I/I))を算出することにより求められる。 The R (I D / I G ) value is calculated by measuring the Raman spectrum of the carbon material using a microscopic Raman spectrometer. Specifically, the peak intensity of 1300~1400Cm -1 called the D band (I D), the relative intensity ratio of the peak intensity of 1500~1600Cm -1 called G band (I G) (peak area ratio ( I D / I G )).

上述したように、本実施形態において、R値は1.3以上である。また、好ましい実施形態において、R値は、好ましくは1.4〜2.0であり、より好ましくは1.4〜1.9であり、さらに好ましくは1.5〜1.8である。R値が1.3以上であれば、積層方向の導電性が十分に確保された導電性炭素層を得ることができる。また、R値が2.0以下であれば、グラファイト成分の減少、すなわちグラファイト構造の乱れ度合を効果的に抑制できる。さらに、導電性炭素層自体の内部応力の増大をも抑制でき、下地である多孔質材料層(後述する中間層が存在する場合には中間層)との密着性を一層向上させることができる。   As described above, in this embodiment, the R value is 1.3 or more. Moreover, in preferable embodiment, R value becomes like this. Preferably it is 1.4-2.0, More preferably, it is 1.4-1.9, More preferably, it is 1.5-1.8. When the R value is 1.3 or more, a conductive carbon layer in which the conductivity in the stacking direction is sufficiently secured can be obtained. Moreover, if R value is 2.0 or less, the reduction | decrease of a graphite component, ie, the disorder degree of a graphite structure, can be suppressed effectively. Furthermore, an increase in internal stress of the conductive carbon layer itself can be suppressed, and adhesion with a porous material layer (an intermediate layer when an intermediate layer described later) exists can be further improved.

なお、本実施形態のようにR値を1.3以上とすることによって上述の作用効果が得られるメカニズムは、以下のように推定されている。ただし、以下の推定メカニズムは本発明の技術的範囲を何ら限定するものではない。   In addition, the mechanism by which the above-mentioned effect is acquired by making R value 1.3 or more like this embodiment is estimated as follows. However, the following estimation mechanism does not limit the technical scope of the present invention.

上述したように、Dバンドピーク強度が大きくなる(すなわち、R値が大きくなる)ことは、グラファイト構造における結晶構造欠陥の増加を意味する。換言すれば、ほぼsp炭素のみからなる高結晶性グラファイトにおいてsp炭素が増加することを意味する。ここで、R=1.0〜1.2の導電性炭素層を有する導電部材(導電部材A)の断面を透過型電子顕微鏡(TEM)により観察した写真(倍率:40万倍)を図5Aに示す。同様に、R=1.6の導電性炭素層を有する導電部材(導電部材B)の断面をTEMにより観察した写真(倍率:40万倍)を図5Bに示す。なお、これらの導電部材A及び導電部材Bは、多孔質材料層としてSUS316Lを用い、この表面にクロム(Cr)からなる中間層(厚さ:0.2μm)及び導電性炭素層(厚さ:0.2μm)をスパッタリング法によって順次形成することにより作製した。また、導電部材Aにおける導電性炭素層の作製時において多孔質材料層に対して印加したバイアス電圧は0Vであり、導電部材Bにおける導電性炭素層の作製時において多孔質材料層に対して印加したバイアス電圧は−140Vであった。 As described above, increasing the D-band peak intensity (that is, increasing the R value) means an increase in crystal structure defects in the graphite structure. In other words, it means that the sp 3 carbon increases in the highly crystalline graphite consisting of only sp 2 carbon. Here, a photograph (magnification: 400,000 times) of a cross section of a conductive member (conductive member A) having a conductive carbon layer with R = 1.0 to 1.2 observed with a transmission electron microscope (TEM) is shown in FIG. 5A. Shown in Similarly, FIG. 5B shows a photograph (magnification: 400,000 times) of a cross section of a conductive member (conductive member B) having a conductive carbon layer with R = 1.6 observed by TEM. The conductive member A and the conductive member B use SUS316L as a porous material layer, and an intermediate layer (thickness: 0.2 μm) made of chromium (Cr) and a conductive carbon layer (thickness :) on the surface. 0.2 μm) was sequentially formed by sputtering. In addition, the bias voltage applied to the porous material layer when the conductive carbon layer in the conductive member A is manufactured is 0 V, and is applied to the porous material layer when the conductive carbon layer in the conductive member B is manufactured. The bias voltage applied was -140V.

図5Bに示すように、導電部材Bの導電性炭素層は、多結晶グラファイトの構造を有することがわかる。一方で、図5Aに示す導電部材Aの導電性炭素層においては、かような多結晶グラファイトの構造は確認できない。   As shown in FIG. 5B, it can be seen that the conductive carbon layer of the conductive member B has a structure of polycrystalline graphite. On the other hand, such a structure of polycrystalline graphite cannot be confirmed in the conductive carbon layer of the conductive member A shown in FIG. 5A.

ここで、「多結晶グラファイト」とは、微視的にはグラフェン面(六角網面)が積層した異方性のグラファイト結晶構造(グラファイトクラスター)を有するが、巨視的には多数の当該グラファイト構造が集合した等方性結晶体である。したがって、多結晶グラファイトは、ダイヤモンド様カーボン(DLC;Diamond−Like Carbon)の1種であるということもできる。通常、単結晶グラファイトは、HOPG(高配向熱分解黒鉛)に代表されるような、巨視的にみてもグラフェン面が積層された乱れのない構造を示す。一方、多結晶グラファイトにおいては、個々のクラスターとしてグラファイト構造が存在しており、乱層構造を有している。R値を上述の値に制御することで、この乱れ具合(グラファイトクラスター量やサイズ)が適度に確保され、導電性炭素層54の一方の面から他方の面への導電パスが確保されうる。その結果、多孔質材料層52に加えて導電性炭素層54を別途設けたことによる導電性の低下が防止されうると考えられる。   Here, “polycrystalline graphite” microscopically has an anisotropic graphite crystal structure (graphite cluster) in which graphene surfaces (hexagonal network surfaces) are laminated, but macroscopically, a large number of such graphite structures. Is an isotropic crystal. Therefore, it can be said that the polycrystalline graphite is one type of diamond-like carbon (DLC). Normally, single crystal graphite has a disordered structure in which graphene surfaces are laminated even when viewed macroscopically, as represented by HOPG (highly oriented pyrolytic graphite). On the other hand, the polycrystalline graphite has a graphite structure as an individual cluster, and has a turbostratic structure. By controlling the R value to the above-mentioned value, this degree of disturbance (graphite cluster amount and size) can be ensured appropriately, and a conductive path from one surface of the conductive carbon layer 54 to the other surface can be secured. As a result, it is considered that a decrease in conductivity due to the separate provision of the conductive carbon layer 54 in addition to the porous material layer 52 can be prevented.

多結晶グラファイトにおいては、グラファイトクラスターを構成するsp炭素原子の結合によりグラフェン面が形成されていることから、当該グラフェン面の面方向に導電性が確保される。また、多結晶グラファイトは実質的に炭素原子のみから構成され、比表面積が小さく、結合した官能基の量も少ない。このため、多結晶グラファイトは酸性水等による腐食に対して優れた耐性を有する。なお、カーボンブラック等の粉末においても、1次粒子を形成しているのはグラファイトクラスターの集合体である場合が多く、これにより導電性が発揮される。しかしながら、個々の粒子が分離しているため、表面に形成されている官能基が多く、酸性水等による腐食が生じやすい。また、カーボンブラックにより導電性炭素層を成膜しても、保護膜としての緻密性に欠けるという問題もある。 In polycrystalline graphite, since the graphene surface is formed by the bonding of sp 2 carbon atoms constituting the graphite cluster, conductivity is ensured in the plane direction of the graphene surface. Polycrystalline graphite is substantially composed of only carbon atoms, has a small specific surface area, and a small amount of bonded functional groups. For this reason, polycrystalline graphite has excellent resistance to corrosion by acidic water or the like. In addition, even in powders such as carbon black, primary particles are often formed by aggregates of graphite clusters, thereby exhibiting electrical conductivity. However, since the individual particles are separated, there are many functional groups formed on the surface, and corrosion due to acidic water or the like is likely to occur. In addition, even when a conductive carbon layer is formed with carbon black, there is a problem that the denseness as a protective film is lacking.

ここで、本実施形態の導電性炭素層54が多結晶グラファイトから構成される場合、多結晶グラファイトを構成するグラファイトクラスターのサイズは特に制限されない。一例を挙げると、グラファイトクラスターの平均直径は、好ましくは1〜50nm程度であり、より好ましくは2〜10nmである。グラファイトクラスターの平均直径がかような範囲内の値であると、多結晶グラファイトの結晶構造を維持しつつ、導電性炭素層54の厚膜化を防止することが可能である。ここで、グラファイトクラスターの「直径」とは、当該クラスターの輪郭線上の任意の2点間の距離のうち、最大の距離を意味する。また、グラファイトクラスターの平均直径の値は、走査型電子顕微鏡(SEM)や透過型電子顕微鏡(TEM)などの観察手段を用い、数〜数十視野中に観察されるクラスターの直径の平均値として算出されうる。   Here, when the conductive carbon layer 54 of the present embodiment is made of polycrystalline graphite, the size of the graphite cluster constituting the polycrystalline graphite is not particularly limited. As an example, the average diameter of the graphite cluster is preferably about 1 to 50 nm, more preferably 2 to 10 nm. When the average diameter of the graphite cluster is in such a range, it is possible to prevent the conductive carbon layer 54 from being thickened while maintaining the crystal structure of the polycrystalline graphite. Here, the “diameter” of the graphite cluster means the maximum distance among the distances between any two points on the contour line of the cluster. Moreover, the average diameter value of the graphite cluster is expressed as an average value of the diameter of the cluster observed in several to several tens of fields using an observation means such as a scanning electron microscope (SEM) or a transmission electron microscope (TEM). Can be calculated.

なお、本実施形態では導電性炭素層54は多結晶グラファイトのみから構成されてもよいが、導電性炭素層54は多結晶グラファイト以外の材料をも含みうる。導電性炭素層54に含まれうる多結晶グラファイト以外の炭素材料としては、カーボンブラック等のグラファイト粒子、並びにフラーレン、カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバー、カーボンナノホーン及びカーボンフィブリル等が挙げられる。また、カーボンブラックの具体例として、以下に制限されることはないが、ケッチェンブラック、アセチレンブラック、チャンネルブラック、ランプブラック、オイルファーネスブラックやサーマルブラック等が挙げられる。なお、カーボンブラックは、グラファイト化処理が施されていてもよい。また、導電性炭素層54に含まれうる炭素以外の材料として、金(Au)、銀(Ag)、白金(Pt)、ルテニウム(Ru)、パラジウム(Pd)、ロジウム(Rh)、インジウム(In)等の貴金属が挙げられる。また、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)等の撥水性物質、及び導電性酸化物なども挙げられる。多結晶グラファイト以外の材料は、1種のみが用いられてもよいし、2種以上が併用されてもよい。そして、このような多結晶グラファイト以外の材料が多結晶グラファイトと併用されてもよいことはいうまでもない。   In the present embodiment, the conductive carbon layer 54 may be composed of only polycrystalline graphite, but the conductive carbon layer 54 may include materials other than polycrystalline graphite. Examples of carbon materials other than polycrystalline graphite that can be included in the conductive carbon layer 54 include graphite particles such as carbon black, fullerenes, carbon nanotubes, carbon nanofibers, carbon nanohorns, and carbon fibrils. Specific examples of carbon black include, but are not limited to, ketjen black, acetylene black, channel black, lamp black, oil furnace black, and thermal black. Carbon black may be subjected to a graphitization treatment. As materials other than carbon that can be included in the conductive carbon layer 54, gold (Au), silver (Ag), platinum (Pt), ruthenium (Ru), palladium (Pd), rhodium (Rh), indium (In ) And the like. Moreover, water-repellent substances such as polytetrafluoroethylene (PTFE), conductive oxides, and the like can also be given. As for materials other than polycrystalline graphite, only 1 type may be used and 2 or more types may be used together. It goes without saying that materials other than polycrystalline graphite may be used in combination with polycrystalline graphite.

導電性炭素層54の厚さは、特に制限されない。ただし、好ましくは1〜1000nmであり、より好ましくは2〜500nmであり、さらに好ましくは5〜200nmである。導電性炭素層の厚さがかような範囲内の値であれば、ガス拡散層を構成する多孔質材料層とセパレータとの間に十分な導電性を確保することができる。また、多孔質材料層に対して高い耐食機能を持たせることができるという有利な効果を奏しうる。   The thickness of the conductive carbon layer 54 is not particularly limited. However, Preferably it is 1-1000 nm, More preferably, it is 2-500 nm, More preferably, it is 5-200 nm. If the thickness of the conductive carbon layer is within such a range, sufficient conductivity can be secured between the porous material layer constituting the gas diffusion layer and the separator. Moreover, there can be an advantageous effect that the porous material layer can have a high corrosion resistance function.

以下、本実施形態における導電性炭素層54について、より好ましい実施形態を説明するが、本発明の技術的範囲は下記の形態のみには限定されない。   Hereinafter, although more preferable embodiment is described about the conductive carbon layer 54 in this embodiment, the technical scope of this invention is not limited only to the following form.

まず、導電性炭素層54のラマン散乱分光分析について、他の観点からは、ラマン散乱分光分析の回転異方性測定により測定された平均ピークが、2回対称パターンを示す。以下、回転異方性測定の測定原理について、簡単に説明する。   First, regarding the Raman scattering spectroscopic analysis of the conductive carbon layer 54, from another viewpoint, the average peak measured by the rotational anisotropy measurement of the Raman scattering spectroscopic analysis shows a two-fold symmetry pattern. Hereinafter, the measurement principle of rotational anisotropy measurement will be briefly described.

ラマン散乱分光分析の回転異方性測定は、測定サンプルを水平方向に360度回転させながら、ラマン散乱分光測定を実施することにより行われる。具体的には、測定サンプルの表面に対してレーザー光を照射し、通常のラマンスペクトルを測定する。次いで、測定サンプルを10°回転させて、同様にラマンスペクトルを測定する。この操作を、測定サンプルが360°回転するまで行う。そして、それぞれの角度での測定において得られたピーク強度の平均値を算出し、中心がピーク強度ゼロとなる、1周360°の極座標表示とすることにより、平均ピークが得られる。そして、例えば、グラフェン面がサンプルの面方向と平行となるように、グラファイト層がサンプル表面に存在する場合には、図6Aに示すような3回対称パターンが見られる。一方、グラフェン面がサンプルの面方向と垂直となるように、グラファイト層がサンプル表面に存在する場合には、図6Bに示すような2回対称パターンが見られる。なお、明確な結晶構造が存在しない非晶質(アモルファス)状の炭素層がサンプル表面に存在する場合には、図6Cに示すような対称性を示さないパターンが見られる。したがって、回転異方性測定により測定された平均ピークが2回対称パターンを示すということは、導電性炭素層54を構成するグラフェン面の面方向が、導電性炭素層54の積層方向とほぼ一致していることを意味する。かような形態によれば、導電性炭素層54における導電性が最短のパスによって確保されることとなるため、好ましいのである。   The rotational anisotropy measurement of the Raman scattering spectroscopic analysis is performed by performing the Raman scattering spectroscopic measurement while rotating the measurement sample 360 degrees in the horizontal direction. Specifically, the surface of the measurement sample is irradiated with laser light, and a normal Raman spectrum is measured. Next, the measurement sample is rotated by 10 °, and the Raman spectrum is measured in the same manner. This operation is performed until the measurement sample rotates 360 °. And the average peak is obtained by calculating the average value of the peak intensities obtained in the measurement at each angle and displaying the 360 ° polar coordinate with one peak at the center. For example, when the graphite layer is present on the sample surface so that the graphene surface is parallel to the surface direction of the sample, a three-fold symmetry pattern as shown in FIG. 6A can be seen. On the other hand, when the graphite layer is present on the sample surface so that the graphene surface is perpendicular to the surface direction of the sample, a two-fold symmetry pattern as shown in FIG. 6B can be seen. When an amorphous carbon layer having no clear crystal structure is present on the surface of the sample, a pattern having no symmetry as shown in FIG. 6C is seen. Therefore, the average peak measured by rotational anisotropy measurement shows a two-fold symmetry pattern. This means that the surface direction of the graphene surface constituting the conductive carbon layer 54 is substantially the same as the stacking direction of the conductive carbon layer 54. Means you are doing it. According to such a form, the conductivity in the conductive carbon layer 54 is ensured by the shortest path, which is preferable.

ここで、上述した導電部材Bについて当該回転異方性測定を行った結果を図7A及び図7Bに示す。図7Aは、導電部材Bを測定サンプルとして用い、当該サンプルの回転角をそれぞれ0°、60°、及び180°としたときのラマンスペクトルを示す。また、図7Bは、上述した手法により得られた、導電部材Bについての回転異方性測定の平均ピークを示す。図7Bに示すように、導電部材Bの回転異方性測定においては、0°及び180°の位置にピークが見られた。これは、図7Bに示す2回対称パターンに相当する。なお、本明細書において、ラマン散乱分光分析の回転異方性測定により測定された平均ピークが「2回対称パターンを示す」の定義を以下に示す。即ち、図6B及び図7Bに示すように、平均ピークにおいて、ピーク強度が0である点を基準として180°対向する2つのピークが存在することを意味することである。3回対称パターンで見られるピーク強度と2回対称パターンで見られるピーク強度とは原理的には同程度の値を示すとされているため、かような定義が可能となる。   Here, the result of the rotational anisotropy measurement performed on the conductive member B described above is shown in FIGS. 7A and 7B. FIG. 7A shows a Raman spectrum when the conductive member B is used as a measurement sample and the rotation angles of the sample are 0 °, 60 °, and 180 °, respectively. FIG. 7B shows an average peak of rotational anisotropy measurement for the conductive member B obtained by the above-described method. As shown in FIG. 7B, in the measurement of rotational anisotropy of the conductive member B, peaks were observed at 0 ° and 180 ° positions. This corresponds to the two-fold symmetry pattern shown in FIG. 7B. In addition, in this specification, the definition that the average peak measured by the rotational anisotropy measurement of Raman scattering spectroscopic analysis “shows a two-fold symmetry pattern” is shown below. That is, as shown in FIG. 6B and FIG. 7B, this means that there are two peaks that face each other by 180 ° with respect to the point where the peak intensity is 0 in the average peak. Since the peak intensity seen in the 3-fold symmetrical pattern and the peak intensity seen in the 2-fold symmetrical pattern are supposed to show the same value in principle, such a definition is possible.

好ましい実施形態では、導電性炭素層54のビッカース硬度が規定される。「ビッカース硬度(Hv)」とは、物質の硬さを規定する値であり、物質に固有の値である。本明細書において、ビッカース硬度は、ナノインデンテーション法により測定された値を意味する。ナノインデンテーション法とは、サンプル表面に対して超微小な荷重でダイヤモンド圧子を連続的に負荷及び除荷し、得られた荷重−変位曲線から硬さを測定するという手法であり、Hvが大きいほどその物質は硬いことを意味する。好ましい実施形態において、具体的には、導電性炭素層54のビッカース硬度は、好ましくは1500Hv以下であり、より好ましくは1200Hv以下であり、さらに好ましくは1000Hv以下であり、特に好ましくは800Hv以下である。ビッカース硬度がかような範囲内の値であれば、導電性を有しないsp3炭素の過剰な混入が抑制され、導電性炭素層54の導電性の低下が防止されうる。一方、ビッカース硬度の下限値について特に制限はないが、ビッカース硬度が50Hv以上であれば、導電性炭素層54の硬度が十分に確保される。その結果、外部からの接触や摩擦等の衝撃にも耐えることができ、多孔質材料層52との密着性にも優れた導電部材(セパレータ)が提供されうる。かような観点から、導電性炭素層54のビッカース硬度は、より好ましくは80Hv以上であり、さらに好ましくは100Hv以上であり、特に好ましくは200Hv以上である。   In a preferred embodiment, the Vickers hardness of the conductive carbon layer 54 is defined. “Vickers hardness (Hv)” is a value that defines the hardness of a substance, and is a value inherent to the substance. In this specification, the Vickers hardness means a value measured by a nanoindentation method. The nanoindentation method is a method in which the diamond indenter is continuously loaded and unloaded with a very small load on the sample surface, and the hardness is measured from the obtained load-displacement curve. Larger means that the substance is harder. In a preferred embodiment, specifically, the Vickers hardness of the conductive carbon layer 54 is preferably 1500 Hv or less, more preferably 1200 Hv or less, further preferably 1000 Hv or less, and particularly preferably 800 Hv or less. . When the Vickers hardness is within such a range, excessive mixing of sp3 carbon having no conductivity can be suppressed, and a decrease in conductivity of the conductive carbon layer 54 can be prevented. On the other hand, the lower limit value of the Vickers hardness is not particularly limited, but if the Vickers hardness is 50 Hv or more, the hardness of the conductive carbon layer 54 is sufficiently ensured. As a result, it is possible to provide a conductive member (separator) that can withstand impacts such as external contact and friction and has excellent adhesion to the porous material layer 52. From such a viewpoint, the Vickers hardness of the conductive carbon layer 54 is more preferably 80 Hv or more, further preferably 100 Hv or more, and particularly preferably 200 Hv or more.

ここで、導電部材の金属基材層としてSUS316Lを準備し、この表面にCrからなる中間層(厚さ:0.2μm)及び導電性炭素層(厚さ:0.2μm)をスパッタリング法によって順次形成することにより作製した。この際、バイアス電圧及び成膜方式を制御することにより、導電性炭素層のビッカース硬度を変化させた。これにより得られた導電部材における導電性炭素層のビッカース硬度と導電性炭素層におけるsp3比の値との関係を図8に示す。なお、図8では、ダイヤモンドはsp3比=100%であり、Hv10000となる。図8に示す結果から、導電性炭素層のビッカース硬度が1500Hv以下であると、sp3比の値が大きく低下することがわかる。また、sp3比の値が低下することで、導電部材の接触抵抗の値もこれに伴って低下することが推測される。   Here, SUS316L is prepared as a metal base layer of the conductive member, and an intermediate layer (thickness: 0.2 μm) made of Cr and a conductive carbon layer (thickness: 0.2 μm) are sequentially formed on the surface by a sputtering method. It produced by forming. At this time, the Vickers hardness of the conductive carbon layer was changed by controlling the bias voltage and the film formation method. FIG. 8 shows the relationship between the Vickers hardness of the conductive carbon layer in the conductive member thus obtained and the value of the sp3 ratio in the conductive carbon layer. In FIG. 8, diamond has an sp3 ratio = 100% and becomes Hv10000. From the results shown in FIG. 8, it can be seen that when the Vickers hardness of the conductive carbon layer is 1500 Hv or less, the value of the sp3 ratio is greatly reduced. Moreover, it is estimated that the value of the contact resistance of a conductive member also falls along with this, when the value of sp3 ratio falls.

さらに他の観点からは、導電性炭素層54に含まれる水素原子の量もまた、考慮することが好ましい。すなわち、導電性炭素層54に水素原子が含まれる場合、当該水素原子は炭素原子と結合する。そうすると、水素原子が結合した炭素原子の混成軌道はsp2からsp3へと変化して導電性を喪失し、導電性炭素層54の導電性が低下することとなる。また、多結晶グラファイトにおけるC−H結合が増加すると、結合の連続性が失われ、導電性炭素層54の硬度が低下し、最終的には導電部材の機械的強度や耐食性が低下してしまう。かような観点から、導電性炭素層54における水素原子の含有量は、導電性炭素層54を構成する全原子に対して、好ましくは30原子%以下であり、より好ましくは20原子%以下であり、さらに好ましくは10原子%以下である。ここで、導電性炭素層54における水素原子の含有量の値としては、弾性反跳散乱分析法(ERDA)により得られる値を採用するものとする。この方法では、測定サンプルを傾け、ヘリウムイオンビームを浅く入射することによって、前方に弾き出された元素を検出する。水素原子の原子核は、入射されるヘリウムイオンよりも軽いため、水素原子が存在するとその原子核は前方に弾き出される。かような散乱は弾性散乱であることから、弾き出された原子のエネルギースペクトルはその原子核の質量を反映することになる。したがって、弾き出された水素原子の原子核の数を固体検出器によって測定することにより、測定サンプルにおける水素原子の含有量が測定されうる。   From another point of view, it is preferable to consider the amount of hydrogen atoms contained in the conductive carbon layer 54 as well. That is, when the conductive carbon layer 54 includes a hydrogen atom, the hydrogen atom is bonded to the carbon atom. Then, the hybrid orbital of the carbon atom to which the hydrogen atom is bonded changes from sp2 to sp3 and loses conductivity, so that the conductivity of the conductive carbon layer 54 is lowered. Further, when the C—H bond in the polycrystalline graphite is increased, the continuity of the bond is lost, the hardness of the conductive carbon layer 54 is lowered, and finally the mechanical strength and corrosion resistance of the conductive member are lowered. . From such a viewpoint, the content of hydrogen atoms in the conductive carbon layer 54 is preferably 30 atomic percent or less, more preferably 20 atomic percent or less, with respect to all atoms constituting the conductive carbon layer 54. More preferably, it is 10 atomic% or less. Here, as the value of the hydrogen atom content in the conductive carbon layer 54, a value obtained by elastic recoil scattering analysis (ERDA) is adopted. In this method, a measurement sample is tilted, and a helium ion beam is incident shallowly, thereby detecting an element ejected forward. Since the nucleus of a hydrogen atom is lighter than the incident helium ion, if a hydrogen atom is present, the nucleus is ejected forward. Since such scattering is elastic scattering, the energy spectrum of the ejected atom reflects the mass of the nucleus. Therefore, the content of hydrogen atoms in the measurement sample can be measured by measuring the number of nuclei of ejected hydrogen atoms with a solid detector.

ここで、図9は、上述したR値が1.3以上であるものの、水素原子の含有量が異なる導電性炭素層を有するいくつかの導電部材について、接触抵抗を測定した結果を示すグラフである。図9に示すように、導電性炭素層における水素原子の含有量が30原子%以下であると、導電部材の接触抵抗の値は顕著に低下する。なお、図9に示す実験において、導電部材の金属基材層としてはSUS316Lを用い、この表面にCrからなる中間層(厚さ:0.2μm)及び導電性炭素層(厚さ:0.2μm)をスパッタリング法によって順次形成することにより作製した。この際、成膜方式や炭化水素ガス量を制御することにより、導電性炭素層における水素原子の含有量を変化させた。   Here, FIG. 9 is a graph showing the results of measuring the contact resistance of several conductive members having conductive carbon layers having different hydrogen atom contents although the R value is 1.3 or more. is there. As shown in FIG. 9, when the content of hydrogen atoms in the conductive carbon layer is 30 atomic% or less, the value of the contact resistance of the conductive member is significantly reduced. In the experiment shown in FIG. 9, SUS316L was used as the metal base layer of the conductive member, and an intermediate layer (thickness: 0.2 μm) made of Cr and a conductive carbon layer (thickness: 0.2 μm) on this surface. ) Were sequentially formed by a sputtering method. At this time, the hydrogen atom content in the conductive carbon layer was changed by controlling the film formation method and the amount of hydrocarbon gas.

本実施形態においては、多孔質材料層52の面全体が、直接的に、または中間層56を介して間接的に、導電性炭素層54によって被覆(表面処理)される。換言すれば、本実施形態では、導電性炭素層54により多孔質材料層52が被覆された面積の割合(被覆率)は100%である。ただし、かような形態のみには限定されず、被覆率は100%未満であってもよい。   In the present embodiment, the entire surface of the porous material layer 52 is covered (surface treatment) with the conductive carbon layer 54 directly or indirectly through the intermediate layer 56. In other words, in this embodiment, the ratio (coverage) of the area where the porous material layer 52 is covered with the conductive carbon layer 54 is 100%. However, it is not limited only to such a form, and the coverage may be less than 100%.

多孔質材料層52が金属繊維を含む場合(特に多孔質材料層52が金属繊維からなる場合)、導電性炭素層54による多孔質材料層52の被覆率は、好ましくは50%以上である。換言すれば、金属繊維を含む多孔質材料層52(特に金属繊維からなる多孔質材料層52)の表面の50%以上を「導電性の炭素」、すなわち導電性炭素層または導電性炭素粒子が被覆することが好ましい。また、より好ましくは80%以上であり、さらに好ましくは90%以上であり、最も好ましくは100%である。かような構成とすることにより、導電性炭素層52により被覆されていない、多孔質材料層52の露出部への酸化皮膜の形成に伴う導電性・耐食性の低下が効果的に抑制されうる。   When the porous material layer 52 contains metal fibers (particularly when the porous material layer 52 is made of metal fibers), the coverage of the porous material layer 52 by the conductive carbon layer 54 is preferably 50% or more. In other words, 50% or more of the surface of the porous material layer 52 containing metal fibers (particularly the porous material layer 52 made of metal fibers) is made of “conductive carbon”, that is, conductive carbon layers or conductive carbon particles. It is preferable to coat. Further, it is more preferably 80% or more, further preferably 90% or more, and most preferably 100%. By adopting such a configuration, it is possible to effectively suppress a decrease in conductivity and corrosion resistance due to the formation of an oxide film on the exposed portion of the porous material layer 52 that is not covered with the conductive carbon layer 52.

一方、多孔質材料層52が炭素繊維を含む場合(特に多孔質材料層52が炭素繊維からなる場合)、導電性炭素層54による多孔質材料層52の被覆率は、好ましくは85%以上である。また、より好ましくは90%以上であり、最も好ましくは92%である。かような構成とすることにより、特に前記炭素繊維がPAN系もしくはピッチ系炭素繊維である場合には、黒鉛化された炭素繊維で構成される多孔質材料と同程度の接触抵抗を確保できる。   On the other hand, when the porous material layer 52 contains carbon fibers (particularly when the porous material layer 52 is made of carbon fibers), the coverage of the porous material layer 52 by the conductive carbon layer 54 is preferably 85% or more. is there. Further, it is more preferably 90% or more, and most preferably 92%. By adopting such a configuration, in particular, when the carbon fiber is a PAN-based or pitch-based carbon fiber, it is possible to ensure contact resistance comparable to that of a porous material composed of graphitized carbon fiber.

なお、本実施形態のように、後述する中間層56が多孔質材料層52と導電性炭素層54との間に介在する場合、上記被覆率は、ガス拡散層(5a、5c)を積層方向から見た場合に導電性炭素層54と重複する多孔質材料層52の面積の割合を意味する。   When the intermediate layer 56 described later is interposed between the porous material layer 52 and the conductive carbon layer 54 as in the present embodiment, the coverage ratio is determined by the gas diffusion layers (5a, 5c) in the stacking direction. It means the ratio of the area of the porous material layer 52 that overlaps with the conductive carbon layer 54 when viewed from the above.

<中間層>
まず第1として、上述の図2に示すように、本実施形態における導電性炭素層54は多孔質材料層52の表面上に存在し、導電性炭素層54と多孔質材料層との間に、金属で構成される中間層56をさらに有してもよい。次に第2として、多孔質材料層52及び導電性炭素層54の少なくとも一方の中(内部)に前記金属が存在してもよい(図示せず)。
<Intermediate layer>
First, as shown in FIG. 2 described above, the conductive carbon layer 54 in the present embodiment is present on the surface of the porous material layer 52, and between the conductive carbon layer 54 and the porous material layer. The intermediate layer 56 made of metal may be further included. Second, the metal may exist in (inside) at least one of the porous material layer 52 and the conductive carbon layer 54 (not shown).

このように、本実施形態の燃料電池用ガス拡散層(燃料電池用GDL)は、導電部材として中間層56を有してもよい。中間層56は、多孔質材料層52と導電性炭素層54との密着性を向上させるという機能や、多孔質材料層52からのイオンの溶出を防止するという機能を有する。特に、R値が上述した好ましい範囲の上限値を超える場合に、中間層56を設けることによる効果は顕著に発現する。ただし、R値が上述した好ましい範囲に含まれる場合であっても中間層が設けられうることは当然である。他の観点からは、中間層56の設置による上述した作用効果は、多孔質材料層52がアルミニウムまたはその合金から構成される場合にも顕著に発現する。なお、本発明において、中間層は任意の層であり、必ずしも中間層は存在しなくてもよい。以下、導電部材が中間層を含む場合の好ましい形態について簡単に説明する。   Thus, the fuel cell gas diffusion layer (fuel cell GDL) of this embodiment may include the intermediate layer 56 as a conductive member. The intermediate layer 56 has a function of improving adhesion between the porous material layer 52 and the conductive carbon layer 54 and a function of preventing elution of ions from the porous material layer 52. In particular, when the R value exceeds the upper limit value of the preferable range described above, the effect of providing the intermediate layer 56 is remarkably exhibited. However, it is a matter of course that an intermediate layer can be provided even when the R value is included in the preferred range described above. From another point of view, the above-described operation and effect due to the installation of the intermediate layer 56 are also remarkably exhibited when the porous material layer 52 is made of aluminum or an alloy thereof. In the present invention, the intermediate layer is an arbitrary layer, and the intermediate layer does not necessarily exist. Hereinafter, a preferable form in the case where the conductive member includes an intermediate layer will be briefly described.

中間層56を構成する材料としては、上記の密着性を付与するものであれば特に制限はない。例えば、周期律表の第4族の金属(Ti、Zr、Nf)、第5族の金属(V、Nb、Ta)、第6族の金属(Cr、Mo、W)、並びにこれらの炭化物、窒化物及び炭窒化物などが挙げられる。なかでも好ましくは、クロム(Cr)、タングステン(W)、チタン(Ti)、モリブデン(Mo)、ニオブ(Nb)もしくはハフニウム(Hf)といったイオン溶出の少ない金属、またはこれらの窒化物、炭化物もしくは炭窒化物が用いられる。より好ましくは、CrもしくはTi、またはこれらの炭化物もしくは窒化物が用いられる。特に、上述したイオン溶出の少ない金属またはその炭化物もしくは窒化物を用いた場合、セパレータの耐食性を有意に向上させることができる。   The material constituting the intermediate layer 56 is not particularly limited as long as it provides the above adhesion. For example, Group 4 metals (Ti, Zr, Nf) of the periodic table, Group 5 metals (V, Nb, Ta), Group 6 metals (Cr, Mo, W), and their carbides, Examples thereof include nitrides and carbonitrides. Among these, metals with low ion elution such as chromium (Cr), tungsten (W), titanium (Ti), molybdenum (Mo), niobium (Nb) or hafnium (Hf), or their nitrides, carbides or charcoal are preferable. Nitride is used. More preferably, Cr or Ti, or a carbide or nitride thereof is used. In particular, when the above-described metal with little ion elution or a carbide or nitride thereof is used, the corrosion resistance of the separator can be significantly improved.

中間層56の厚さは、特に制限されないが、0.005〜10μmであることが好ましく、0.005〜0.1μmであることがより好ましく、0.005〜0.01μmであることがさらに好ましい。中間層自体は導電性炭素層と繊維間の熱膨張による剥離を抑えることや、繊維を構成する金属の耐食性が弱い場合の防食という点で効果がある。10μm以上では中間層の厚さによって多孔質層の空孔が閉塞する可能性が高くなり、0.005μm以下は、分光学的な計測手段では精度の良い結果が得られる下限以下になる。なお、前記中間層の厚さは、AESの深さ分析により計測したものである。   The thickness of the intermediate layer 56 is not particularly limited, but is preferably 0.005 to 10 μm, more preferably 0.005 to 0.1 μm, and further preferably 0.005 to 0.01 μm. preferable. The intermediate layer itself is effective in terms of suppressing peeling due to thermal expansion between the conductive carbon layer and the fiber, and preventing corrosion when the metal constituting the fiber has low corrosion resistance. When the thickness is 10 μm or more, there is a high possibility that the pores of the porous layer are blocked by the thickness of the intermediate layer. Note that the thickness of the intermediate layer is measured by AES depth analysis.

また、中間層56の、導電性炭素層54側の表面は、ナノレベルで粗れていることが好ましい。かような形態によれば、中間層56上に成膜される導電性炭素層54の、中間層56に対する密着性をより一層向上させうる。   In addition, the surface of the intermediate layer 56 on the conductive carbon layer 54 side is preferably rough at the nano level. According to such an embodiment, the adhesion of the conductive carbon layer 54 formed on the intermediate layer 56 to the intermediate layer 56 can be further improved.

さらに、中間層56の熱膨張率が、多孔質材料層52を構成する金属の熱膨張率と近い値であると、中間層56と多孔質材料層52との密着性は向上する。ただし、かような形態では中間層56と導電性炭素層54との密着性が低下する場合がある。同様に、中間層56の熱膨張率が導電性炭素層54の熱膨張率と近い値であると、中間層56と多孔質材料層52との密着性が低下する場合がある。これらを考慮して、中間層の熱膨張率(αmid)、多孔質材料層の熱膨張率(αsub)、及び導電性炭素層の熱膨張率を(α)は、αsub≧αmid>αの関係を満足することが好ましい。なお、αsubとαmidとが同一の値である場合とは、多孔質材料層のうち金属繊維の構成金属、及び中間層の構成金属が共に同一である場合に相当する。 Furthermore, when the thermal expansion coefficient of the intermediate layer 56 is close to the thermal expansion coefficient of the metal constituting the porous material layer 52, the adhesion between the intermediate layer 56 and the porous material layer 52 is improved. However, in such a form, the adhesion between the intermediate layer 56 and the conductive carbon layer 54 may decrease. Similarly, if the thermal expansion coefficient of the intermediate layer 56 is close to the thermal expansion coefficient of the conductive carbon layer 54, the adhesion between the intermediate layer 56 and the porous material layer 52 may be reduced. Considering these, the thermal expansion coefficient (α mid ) of the intermediate layer, the thermal expansion coefficient (α sub ) of the porous material layer, and the thermal expansion coefficient (α c ) of the conductive carbon layer are expressed by α sub ≧ α It is preferable to satisfy the relationship of mid > α c . The case where α sub and α mid are the same value corresponds to the case where the constituent metal of the metal fiber and the constituent metal of the intermediate layer are both the same in the porous material layer.

なお、中間層56は、多孔質材料層52の少なくとも一方の表面上に存在すればよい。また、導電性炭素層が多孔質材料層の両面に存在する場合には、中間層は、多孔質材料層と双方の導電性炭素層との間にそれぞれ介在することが好ましい。多孔質材料層といずれか一方の導電性炭素層との間にのみ中間層が存在する場合には、当該中間層は、PEFCにおいてMEA側に配置されることとなる導電性炭素層と多孔質材料層との間に存在することが好ましい。   The intermediate layer 56 may be present on at least one surface of the porous material layer 52. Moreover, when a conductive carbon layer exists in both surfaces of a porous material layer, it is preferable to interpose an intermediate | middle layer between a porous material layer and both conductive carbon layers, respectively. When the intermediate layer exists only between the porous material layer and one of the conductive carbon layers, the intermediate layer is disposed on the MEA side of the PEFC and the porous layer. It is preferable to exist between the material layers.

<親水化層>
上述のように、導電性炭素層54は、多孔質材料層52の表面上に存在してもよい。かかる場合、図2に示すように、導電性炭素層54上に金属、金属窒化物、金属炭化物及び金属酸化物よりなる群から選択される1種以上で構成される親水化層58をさらに有してもよい。そして、親水化層58は、多孔質材料層52のセパレータと向かい合う側に存在する導電性炭素層上に、セパレータと隣接する状態で配置されることが好ましい。図1で示すならば、親水化層は、ガス拡散層(4a、4c)のうち、セパレータ(5a、5c)が存在する側の表面に配置されることが好ましい。かような親水化層の機能について以下に説明する。電池の発電によって水が発生するが、この水は速やかにセパレータへと運ばれて排出されることが極めて望ましい。その際、親水化層がガス拡散層(4a、4c)のうち、セパレータ(5a、5c)が存在する側の表面に配置されていると、セパレータの界面における親水性が向上して触媒層(3a、3c)からセパレータ側への速やかな水の排出を促進できる。
<Hydrophilic layer>
As described above, the conductive carbon layer 54 may exist on the surface of the porous material layer 52. In this case, as shown in FIG. 2, a hydrophilic layer 58 composed of at least one selected from the group consisting of metal, metal nitride, metal carbide, and metal oxide is further provided on the conductive carbon layer 54. May be. And it is preferable that the hydrophilization layer 58 is arrange | positioned in the state adjacent to a separator on the conductive carbon layer which exists in the side facing the separator of the porous material layer 52. FIG. If it shows in FIG. 1, it is preferable that a hydrophilization layer is arrange | positioned in the surface of the side in which a separator (5a, 5c) exists among gas diffusion layers (4a, 4c). The function of such a hydrophilic layer will be described below. Although water is generated by the power generation of the battery, it is highly desirable that this water be quickly transported to the separator and discharged. At that time, if the hydrophilic layer is disposed on the surface of the gas diffusion layer (4a, 4c) where the separator (5a, 5c) is present, the hydrophilicity at the separator interface is improved and the catalyst layer ( The rapid discharge of water from 3a, 3c) to the separator side can be promoted.

このような親水化層の機能の観点より、図1において、セパレータ(5a、5c)に存在する複数の凹部によって構成される溝状の流路が排水に関与する。そのため、セパレータ(5a、5c)側のガス拡散層(4a、4c)の親水化層のうち、前記凹部と接する親水化層の部分は、高い親水度を有するようにするため、金属で構成されることが好ましい。一方、前記凸部と接する親水化層の部分は、親水性は重要でないといえるため、金属、金属窒化物、金属炭化物及び金属酸化物よりなる群から選択される1種以上で構成されればよい。さらにいえば、前記凸部と接する親水化層の部分にはこのような親水化層は存在しなくてもよい。かかる場合、親水化層は金属が分散してガス拡散層の面上に存在する部分的な(不連続的な)「層」形態を採りうる。   From the viewpoint of the function of such a hydrophilic layer, in FIG. 1, a groove-like flow path constituted by a plurality of concave portions present in the separators (5a, 5c) is involved in drainage. Therefore, in the hydrophilic layer of the gas diffusion layer (4a, 4c) on the separator (5a, 5c) side, the portion of the hydrophilic layer in contact with the recess is made of metal so as to have a high degree of hydrophilicity. It is preferable. On the other hand, since the hydrophilicity of the portion of the hydrophilic layer that is in contact with the convex portion is not important, if it is composed of one or more selected from the group consisting of metals, metal nitrides, metal carbides, and metal oxides. Good. Furthermore, such a hydrophilic layer does not have to exist in the portion of the hydrophilic layer in contact with the convex portion. In such a case, the hydrophilization layer may take the form of a partial (discontinuous) “layer” in which the metal is dispersed and exists on the surface of the gas diffusion layer.

前記金属は、貴金属または金属セパレータ基材を構成する金属元素、及びセパレータの表面処理に含まれる金属元素よりなる群から選択される1種以上を有してもよい。金属セパレータ基材を構成する金属元素としては、以下に限定されることはないが、例えば、鉄、チタン、アルミニウム及び銅並びにこれらの合金が挙げられる。ここで、鉄合金にはステンレスが含まれる。各元素や各合金(ステンレスを含む)の例示については、上述した例示がそのまま引用される。前記金属が貴金属であると、親水化向上のみならず、接触抵抗を有意に低下できる。また、前記金属が金属セパレータ基材を構成する金属元素や、セパレータの表面処理に含まれる金属元素であると、異種金属同士が接する場合に生じうる腐食を効果的に防止できる。なお、金属窒化物、金属炭化物や金属酸化物は、上記した金属の窒化物、炭化物や酸化物の全てを含みうる。   The said metal may have 1 or more types selected from the group which consists of a metal element which comprises a noble metal or a metal separator base material, and the surface treatment of a separator. Although it does not limit to the following as a metal element which comprises a metal separator base material, For example, iron, titanium, aluminum, copper, and these alloys are mentioned. Here, the iron alloy includes stainless steel. Regarding the examples of each element and each alloy (including stainless steel), the above-mentioned examples are cited as they are. When the metal is a noble metal, not only can hydrophilicity be improved, but contact resistance can be significantly reduced. In addition, when the metal is a metal element constituting the metal separator base material or a metal element included in the surface treatment of the separator, corrosion that may occur when dissimilar metals come into contact with each other can be effectively prevented. The metal nitride, metal carbide, and metal oxide can include all of the above-described metal nitride, carbide, and oxide.

上述の図2に、親水化層58を示している。図2では、一例として、親水化層58を連続的な層として表しているが、不連続な層形態、即ち上述したような金属の分散した層形態を採ってもよい。また、図2では、導電部材として、必須の多孔質材料層52及び導電性炭素層54、並びに任意の中間層56及び親水化層58が存在している。しかし、本実施形態において、中間層56及び親水化層58は、いずれも存在しなくてよいし、少なくともいずれか一方が存在していてもよい。   FIG. 2 described above shows the hydrophilic layer 58. In FIG. 2, as an example, the hydrophilization layer 58 is shown as a continuous layer. However, a discontinuous layer form, that is, a metal dispersed layer form as described above may be adopted. In FIG. 2, essential porous material layer 52 and conductive carbon layer 54, and optional intermediate layer 56 and hydrophilic layer 58 exist as conductive members. However, in the present embodiment, neither the intermediate layer 56 nor the hydrophilized layer 58 may exist, or at least one of them may exist.

ここで、図2におけるガス拡散層の断面図は、多孔質材料層の上に中間層及び導電性炭素層が積層された構造を示している。しかし、本実施形態の断面図はこれに限られず、その他として、繊維で構成される多孔質材料層の中(内部)に中間層及び導電性炭素層が「積層」されたような構造などもありうる。ここまでは上述した通りであるが、親水化層については補足の説明が必要である。すなわち、親水化層の機能はセパレータ側への速やかな水の排出を促進する点にあるため、導電性炭素層(及び中間層)が多孔質材料層との関係でどのような位置関係を採ったとしても、親水化層だけは多孔質材料層の上に存在する必要がある。   Here, the sectional view of the gas diffusion layer in FIG. 2 shows a structure in which an intermediate layer and a conductive carbon layer are laminated on the porous material layer. However, the cross-sectional view of the present embodiment is not limited to this, and in addition, a structure in which an intermediate layer and a conductive carbon layer are “laminated” in (inside) a porous material layer composed of fibers is also possible. It is possible. Although it is as above-mentioned until now, supplementary description is required about a hydrophilization layer. In other words, since the function of the hydrophilic layer is to promote the rapid drainage of water to the separator side, the positional relationship of the conductive carbon layer (and the intermediate layer) with respect to the porous material layer is taken. Even so, only the hydrophilic layer needs to be present on the porous material layer.

<ガス拡散電極(ガス拡散層)>
ガス拡散電極(ガス拡散層)は、その厚さ方向の電気抵抗値が1mΩ・cm以下であることが好ましい。ガス拡散電極の厚さ方向の電気抵抗値が2.0mΩ以下の場合、電池性能が上昇しやすくなる上に、発熱によるガス拡散電極の構成成分の脆化を効果的に防止でき得る。ここで、厚さ方向の電気抵抗値とは、金メッキした2枚の50mm角(厚さ10mm)の試験用電極でガス拡散電極を圧力1MPaで挟み、両試験用電極間で測定した電気抵抗値(mΩ)のことである。
<Gas diffusion electrode (gas diffusion layer)>
The gas diffusion electrode (gas diffusion layer) preferably has an electric resistance value in the thickness direction of 1 mΩ · cm 2 or less. When the electric resistance value in the thickness direction of the gas diffusion electrode is 2.0 mΩ or less, the battery performance is likely to be improved, and embrittlement of the components of the gas diffusion electrode due to heat generation can be effectively prevented. Here, the electrical resistance value in the thickness direction is an electrical resistance value measured between two test electrodes with a gas diffusion electrode sandwiched between two gold-plated 50 mm square test electrodes (thickness 10 mm) at a pressure of 1 MPa. (MΩ).

ガス拡散層は、その厚さが300〜100μmのものを一般的に使用しているが、セルの形状や性能を鑑みて適宜厚さを調整することができる。   The gas diffusion layer generally has a thickness of 300 to 100 μm, but the thickness can be appropriately adjusted in view of the shape and performance of the cell.

上述したようなガス拡散層(ガス拡散電極)においては、繊維成分が導電性を有する上、繊維同士が互いに融着するため、当該ガス拡散層の導電性も高くなりうる。   In the gas diffusion layer (gas diffusion electrode) as described above, the fiber component has conductivity, and since the fibers are fused to each other, the conductivity of the gas diffusion layer can be increased.

[第2実施形態]
上述した第1実施形態のガス拡散層を製造する方法について特に制限はなく、従来公知の手法を適宜参照することにより製造することが可能である。以下、ガス拡散層を製造するための好ましい実施形態を記載するが、本発明の技術的範囲は下記の形態のみには限定されない。また、ガス拡散層を構成する各部材の材質などの諸条件については、上述した通りであるため、ここでは説明を省略する。
[Second Embodiment]
There is no restriction | limiting in particular about the method of manufacturing the gas diffusion layer of 1st Embodiment mentioned above, It can manufacture by referring a conventionally well-known method suitably. Hereinafter, although preferable embodiment for manufacturing a gas diffusion layer is described, the technical scope of this invention is not limited only to the following form. In addition, since various conditions such as the material of each member constituting the gas diffusion layer are as described above, the description thereof is omitted here.

本発明の第2実施形態に係る燃料電池用ガス拡散層(燃料電池用GDL)の製造方法は、多孔質材料層の表面上または中に、導電性炭素層または導電性炭素粒子を形成する工程を含む。なお、多孔質材料層については、市販品を用いることができる。しかし、本発明における多孔質材料層の中には、例えば、黒鉛化処理を施さないPAN系もしくはピッチ系炭素繊維のように、現状では市販品として流通していないようなものもある。そこで、上記の特殊なPAN系もしくはピッチ系炭素繊維については、その製造方法や条件について後述する。   The method for producing a gas diffusion layer for fuel cell (GDL for fuel cell) according to the second embodiment of the present invention is a step of forming a conductive carbon layer or conductive carbon particles on or in the surface of the porous material layer. including. In addition, about a porous material layer, a commercial item can be used. However, some of the porous material layers in the present invention, such as PAN-based or pitch-based carbon fibers that are not subjected to graphitization, are not currently distributed as commercial products. Therefore, the manufacturing method and conditions of the special PAN-based or pitch-based carbon fiber will be described later.

前記導電性炭素層または導電性炭素粒子を形成する工程(イ)は、導電性の炭素(例えば、グラファイト)をターゲットとして、多孔質材料層上に導電性炭素を含む層を原子レベルで積層(成膜)することにより、導電性炭素層を形成することができる。このようにして、直接付着した導電性炭素層と多孔質材料層との界面(その近傍を含む)は、分子間力や僅かな炭素原子の進入によって、長期間にわたって密着性が保持されうる。   In the step (a) of forming the conductive carbon layer or the conductive carbon particles, a layer containing conductive carbon is stacked on the porous material layer at the atomic level using conductive carbon (for example, graphite) as a target ( By conducting film formation, a conductive carbon layer can be formed. In this way, the adhesion (including the vicinity thereof) between the directly attached conductive carbon layer and porous material layer can be maintained for a long period of time due to intermolecular force or slight carbon atom penetration.

導電性炭素を積層(成膜)するのに好適な手法として、例えば、スパッタリング法もしくはイオンプレーティング法などの物理気相成長(PVD)法、またはフィルタードカソーディックバキュームアーク(FCVA)法等のイオンビーム蒸着法等が挙げられる。スパッタリング法としては、マグネトロンスパッタリング法、アンバランスドマグネトロンスパッタリング(UBMS)法、デュアルマグネトロンスパッタ法、ECRスパッタリング法などが挙げられる。また、イオンプレーティング法としては、アークイオンプレーティング法などが挙げられる。なかでも、スパッタリング法及びイオンプレーティング法を用いることが好ましく、スパッタリング法を用いることが特に好ましい。かような手法によれば、水素含有量の少ない炭素層を形成することができる。その結果、炭素原子同士の結合(sp2混成炭素)の割合を増加させることができ、優れた導電性が達成されうる。これに加えて、比較的低温で成膜が可能であり、多孔質材料層へのダメージを最小限に抑えることができるという利点もある。さらに、スパッタリング法によれば、バイアス電圧等を制御することで、成膜される層の膜質をコントロールできるという利点がある。また、導電性炭素層をスパッタリング法によって形成(成膜)することにより、連続的かつ効率的に導電性炭素層を製造できるという利点もある。   Suitable methods for laminating (depositing) conductive carbon include, for example, physical vapor deposition (PVD) such as sputtering or ion plating, or filtered cathodic vacuum arc (FCVA). Examples include ion beam evaporation. Examples of the sputtering method include a magnetron sputtering method, an unbalanced magnetron sputtering (UBMS) method, a dual magnetron sputtering method, and an ECR sputtering method. Examples of the ion plating method include an arc ion plating method. Especially, it is preferable to use sputtering method and an ion plating method, and it is especially preferable to use sputtering method. According to such a method, a carbon layer with a low hydrogen content can be formed. As a result, the ratio of bonds between carbon atoms (sp2 hybrid carbon) can be increased, and excellent conductivity can be achieved. In addition, there is an advantage that the film can be formed at a relatively low temperature, and damage to the porous material layer can be minimized. Furthermore, the sputtering method has an advantage that the film quality of the deposited film can be controlled by controlling the bias voltage and the like. Further, there is an advantage that the conductive carbon layer can be continuously and efficiently manufactured by forming (forming a film) by the sputtering method.

なお、多孔質材料層が金属繊維を含むような場合、アルゴン(Ar)プラズマによるスパッタによって、多孔質材料層(金属繊維)表面の酸化皮膜を除去しておくことが好ましい。   When the porous material layer contains metal fibers, it is preferable to remove the oxide film on the surface of the porous material layer (metal fibers) by sputtering with argon (Ar) plasma.

図10は、スパッタリング法を用いた、多孔質材料層の表面上または中への中間層や導電性炭素層の成膜(積層)装置を示す概略図である。導電性炭素層の成膜をスパッタリング法により行う場合、チャンバー64の真空度は、以下に限定されることはないが、3〜10Pa程度までガス排気口66より排気することが好ましい。その後、好ましくはArを0.1〜1Pa程度、雰囲気ガス導入口68より導入する。燃料電池用ガス拡散層(GDL)自体の温度は、室温〜200℃程度の範囲であれば特に制限されることはないが、好ましくは、GDL(特に多孔質材料層)の材質に応じて適宜、温度を設定する。そして、スパッタリングは、ターゲット70から多孔質材料層72へとターゲット材料(Crや黒鉛など)をはじき出すことにより行う。   FIG. 10 is a schematic view showing an apparatus for forming (lamination) an intermediate layer or a conductive carbon layer on or in the surface of a porous material layer using a sputtering method. When the conductive carbon layer is formed by sputtering, the degree of vacuum in the chamber 64 is not limited to the following, but is preferably exhausted from the gas exhaust port 66 to about 3 to 10 Pa. Thereafter, Ar is introduced preferably through the atmospheric gas inlet 68 at about 0.1 to 1 Pa. The temperature of the fuel cell gas diffusion layer (GDL) itself is not particularly limited as long as it is in the range of room temperature to about 200 ° C., but is preferably appropriately selected according to the material of the GDL (particularly the porous material layer). Set the temperature. Sputtering is performed by ejecting a target material (such as Cr or graphite) from the target 70 to the porous material layer 72.

ここで、導電性炭素層の成膜をスパッタリング法により行う場合には、スパッタリング時に多孔質材料層に対して負のバイアス電圧を印加するとよい。かような形態によれば、イオン照射効果によって、グラファイトクラスターが緻密に集合した構造の導電性炭素層が成膜されうる。このような導電性炭素層は優れた導電性を発揮しうることから、他の部材(例えば、MEA)との接触抵抗の小さい導電部材(ガス拡散層)が提供されうる。当該形態において、印加される負のバイアス電圧の大きさ(絶対値)は特に制限されず、導電性炭素層を成膜可能な電圧が採用されうる。一例として、印加される電圧の大きさは、好ましくは50〜500Vであり、より好ましくは100〜300Vである。なお、成膜時のその他の条件等の具体的な形態は特に制限されず、従来公知の知見が適宜参照されうる。また、UBMS法により導電性炭素層54を成膜する場合には、予め中間層を形成しておき、その上に導電性炭素層を形成することが好ましい。これにより、下地層との密着性に優れる導電性炭素層が形成されうる。ただし、他の手法によって導電性炭素層を形成する場合には、中間層が存在しない場合であっても、多孔質材料層との密着性に優れる導電性炭素層が形成されうる。   Here, when the conductive carbon layer is formed by a sputtering method, a negative bias voltage may be applied to the porous material layer during sputtering. According to such a form, a conductive carbon layer having a structure in which graphite clusters are densely assembled can be formed by the ion irradiation effect. Since such a conductive carbon layer can exhibit excellent conductivity, a conductive member (gas diffusion layer) having a small contact resistance with other members (for example, MEA) can be provided. In this embodiment, the magnitude (absolute value) of the negative bias voltage to be applied is not particularly limited, and a voltage capable of forming a conductive carbon layer can be adopted. As an example, the magnitude of the applied voltage is preferably 50 to 500V, more preferably 100 to 300V. In addition, specific forms, such as other conditions at the time of film-forming, are not restrict | limited, A conventionally well-known knowledge can be referred suitably. Further, when the conductive carbon layer 54 is formed by the UBMS method, it is preferable to form an intermediate layer in advance and form the conductive carbon layer thereon. Thereby, the conductive carbon layer excellent in adhesiveness with the underlayer can be formed. However, when the conductive carbon layer is formed by another method, a conductive carbon layer having excellent adhesion to the porous material layer can be formed even when the intermediate layer is not present.

上述した手法によれば、多孔質材料層52の一方の表面に導電性炭素層54が形成された導電部材が製造されうる。多孔質材料層52の両面に導電性炭素層54が形成されてなる導電部材を製造するには、多孔質材料層52の他方の表面に対して、上述したのと同様の手法によって、導電性炭素層を形成すればよい。   According to the above-described method, a conductive member in which the conductive carbon layer 54 is formed on one surface of the porous material layer 52 can be manufactured. In order to manufacture a conductive member in which the conductive carbon layer 54 is formed on both surfaces of the porous material layer 52, the other surface of the porous material layer 52 is made conductive by the same method as described above. A carbon layer may be formed.

図2に示すような、中間層56を有するガス拡散層を製造するには、上述した導電性炭素層の成膜工程の前に、多孔質材料層の少なくとも一方の表面に中間層を成膜する工程を行う。この際、中間層を成膜する手法としては、導電性炭素層の成膜について上述したのと同様の手法が採用されうる。ただし、ターゲットを中間層の構成材料に変更する必要がある。   In order to manufacture the gas diffusion layer having the intermediate layer 56 as shown in FIG. 2, the intermediate layer is formed on at least one surface of the porous material layer before the conductive carbon layer forming step described above. The process to do is performed. At this time, as the method for forming the intermediate layer, the same method as described above for the formation of the conductive carbon layer may be employed. However, it is necessary to change the target to the constituent material of the intermediate layer.

続いて、上記工程により成膜された中間層の導電性炭素層と対向する表面とは異なる方の表面に、導電性炭素層を成膜する工程を行えばよい。中間層の表面に導電性炭素層を成膜する手法としても、多孔質材料層の表面への導電性炭素層の成膜について上述したのと同様の手法が採用されうる。   Subsequently, a step of forming a conductive carbon layer on a surface different from the surface facing the conductive carbon layer of the intermediate layer formed by the above step may be performed. As a method for forming the conductive carbon layer on the surface of the intermediate layer, the same method as described above for the formation of the conductive carbon layer on the surface of the porous material layer may be employed.

また、工程(イ)の以後に、金属、金属窒化物、金属炭化物及び金属酸化物よりなる群から選択される1種以上をターゲットとするスパッタ法、または前記工程(イ)の後に、金属のメッキ処理、のいずれかの方法(処理)を用いる。そして、かような方法(処理)によって、親水化層を形成する工程(ロ)を行ってもよい。セパレータと向かい合う側のガス拡散層の表面に親水化層を形成する際、所定の金属などをスパッタリングすることによって、工程(イ)から工程(ロ)までを簡易かつ連続的に行うことができる。一方、工程(ロ)をメッキ処理によって行う場合に、多孔質材料層が連続したシート状であると、溶液中においてロール トゥ ロール(Roll−to−Roll)方式で処理できるため、効率的かつ低コストで製造できるという利点がある。   In addition, after the step (a), a sputtering method targeting one or more selected from the group consisting of metal, metal nitride, metal carbide and metal oxide, or after the step (a), Either method (treatment) of plating treatment is used. And you may perform the process (b) of forming a hydrophilization layer by such a method (process). When forming a hydrophilic layer on the surface of the gas diffusion layer on the side facing the separator, steps (A) to (B) can be performed easily and continuously by sputtering a predetermined metal or the like. On the other hand, when the step (b) is performed by plating, if the porous material layer is a continuous sheet, it can be processed in a roll-to-roll manner in a solution. There is an advantage that it can be manufactured at a low cost.

また、工程の順序について言及すると、工程(イ)の後に工程(ロ)を行うことにより、所望のガス拡散層を形成できる。一方、工程(イ)と工程(ロ)を(ほぼ)同時に行うことによっても、ガス拡散層のセパレータ側表面に親水化層を形成することができ、さらには製造時間の大幅な短縮という利点がある。なお、同時に行う場合、親水化層を構成する親水化部材はガス拡散層のセパレータ側表面のみならず、ガス拡散層全体に存在しうる。しかし、第1実施形態において説明したように、親水化層は不連続な層形態、すなわち金属の分散した層形態を採ってもよいのである。したがって、製造時間の大幅な短縮に起因するコストや労力の低減という利点を考慮すれば、工程(イ)と工程(ロ)を同時(殆ど同時)に行うことの意義は十分にあるといえる。   Further, regarding the order of the steps, a desired gas diffusion layer can be formed by performing the step (b) after the step (a). On the other hand, the step (b) and the step (b) can also be performed (almost) simultaneously to form a hydrophilic layer on the separator-side surface of the gas diffusion layer, and further have the advantage of greatly reducing the production time. is there. In addition, when performing simultaneously, the hydrophilization member which comprises a hydrophilization layer may exist in not only the separator side surface of a gas diffusion layer but the whole gas diffusion layer. However, as described in the first embodiment, the hydrophilization layer may take a discontinuous layer form, that is, a metal dispersed layer form. Therefore, it can be said that it is sufficiently meaningful to perform the step (b) and the step (b) simultaneously (almost simultaneously) in view of the advantages of cost and labor reduction resulting from a significant reduction in manufacturing time.

前記メッキ処理の際に用いられる金属は、貴金属または金属セパレータ基材を構成する金属元素であることが好ましい。金属セパレータ基材を構成する金属元素としては、上記第1実施形態で言及した例示がそのまま引用される。前記金属が貴金属であると、親水化向上のみならず、接触抵抗を有意に低下できる。また、前記金属が金属セパレータ基材を構成する金属元素であると、異種金属同士が接する場合に生じうる腐食を効果的に防止できる。   The metal used in the plating process is preferably a noble metal or a metal element constituting a metal separator substrate. As the metal element constituting the metal separator substrate, the examples mentioned in the first embodiment are cited as they are. When the metal is a noble metal, not only can hydrophilicity be improved, but contact resistance can be significantly reduced. In addition, when the metal is a metal element constituting the metal separator substrate, it is possible to effectively prevent corrosion that may occur when dissimilar metals come into contact with each other.

上記の工程(イ)及び工程(ロ)を以下のように換言することができる。まず、スパッタ法を用いて、導電性炭素層もしくは導電性炭素粒子、及び/または親水化層(親水性部材により形成される層)を形成することができる。一方、親水化層の形成については、スパッタ法の代わりにメッキ処理を用いることができる。   Said process (I) and process (B) can be paraphrased as follows. First, a conductive carbon layer or conductive carbon particles, and / or a hydrophilic layer (a layer formed of a hydrophilic member) can be formed using a sputtering method. On the other hand, for the formation of the hydrophilic layer, a plating process can be used instead of the sputtering method.

第1実施形態(図4)でも述べたように、ポリアクリロニトリル(PAN)系もしくはピッチ系炭素繊維を製造することにより多孔質材料層を得ようとする際、黒鉛化処理まで行わずに炭素化処理で終了することが好ましい。これは、コストの大幅な低減をもたらしうる。図11は、一般的なPAN系炭素繊維の製造工程及び本発明におけるPAN系炭素繊維の製造工程を示す図である。図11中、本実施形態では黒鉛化処理を行わない点に最大の特徴がある。図11のフローチャートより簡潔に言えば、炭素化処理後、黒鉛化処理を行うことなく表面処理やサイジングからなる仕上げ(フィラメントの切断)処理を行う。この処理により得られたチョップドファイバーを抄紙化する際、好ましくはファイバーの表面を従来公知のフッ素系液体を用いて撥水処理加工を行う。そして、最後に焼成してガス拡散層のロール状シートを得ることができる。本発明における「特殊なPAN系炭素繊維」(以下、「PAN系炭素化繊維」とも称する)の各製造工程(処理)の方法や条件については、図11に示すような従来公知のものを適用すればよい。以下、本発明におけるPAN系炭素繊維の各製造工程(処理)の方法や条件の一例を示すが、本発明におけるPAN系炭素繊維の製造方法は以下に制限されることはなく、適宜方法や条件の変更等を行ってもよい。   As described in the first embodiment (FIG. 4), when a porous material layer is obtained by producing a polyacrylonitrile (PAN) -based or pitch-based carbon fiber, carbonization is not performed until the graphitization treatment. It is preferable to end the process. This can result in a significant cost reduction. FIG. 11 is a diagram showing a general PAN-based carbon fiber manufacturing process and a PAN-based carbon fiber manufacturing process in the present invention. In FIG. 11, this embodiment has the greatest feature in that no graphitization is performed. To put it more succinctly than the flowchart of FIG. 11, after the carbonization treatment, the finishing (filament cutting) treatment including surface treatment and sizing is performed without performing the graphitization treatment. When the chopped fiber obtained by this treatment is made into paper, the surface of the fiber is preferably subjected to a water repellent treatment using a conventionally known fluorine-based liquid. And it can calcinate at the end and can obtain the roll-shaped sheet of a gas diffusion layer. For the method and conditions of each manufacturing step (treatment) of “special PAN-based carbon fiber” (hereinafter also referred to as “PAN-based carbonized fiber”) in the present invention, a conventionally known one as shown in FIG. 11 is applied. do it. Hereinafter, although an example of the method and conditions of each manufacturing process (treatment) of the PAN-based carbon fiber in the present invention will be shown, the manufacturing method of the PAN-based carbon fiber in the present invention is not limited to the following, and the method and conditions appropriately. Changes may be made.

まず、アクリロニトリルを主成分とする単量体を重合してPAN系重合体を得る。続いて、PAN系重合体を湿式、乾式または乾湿式により紡糸してPAN系前駆体繊維を製造する。   First, a monomer having acrylonitrile as a main component is polymerized to obtain a PAN polymer. Subsequently, a PAN-based precursor fiber is produced by spinning the PAN-based polymer by a wet method, a dry method, or a dry-wet method.

PAN系重合体は、以下に限定されないが、単量体のうち主成分であるアクリロニトリルを、好ましくは90重量%以上、より好ましくは95重量%以上含有する。なお、必要に応じて、アクリロニトリルと共重合可能なその他の単量体を加えて共重合してもよい。前記重合体(共重合体を含む)は、紡糸に際し、溶媒に溶解した紡糸原液として使用できる。なお、前記その他の単量体としては、アクリロニトリルと共重合可能なものであれば特に限定されないが、例えば、ブタジエン、スチレン等が挙げられる。   Although not limited to the following, the PAN-based polymer preferably contains 90% by weight or more, more preferably 95% by weight or more of acrylonitrile, which is the main component of the monomers. If necessary, other monomers copolymerizable with acrylonitrile may be added for copolymerization. The polymer (including a copolymer) can be used as a stock solution for spinning dissolved in a solvent during spinning. The other monomer is not particularly limited as long as it is copolymerizable with acrylonitrile, and examples thereof include butadiene and styrene.

上記重合体の溶媒としては、以下に限定されないが、例えば、塩化亜鉛やチオシアン酸ナトリウム等の無機塩系溶媒、あるいはジメチルスルホキシド、ジメチルホルムアミド、ジメチルアセトアミドやN−メチルピロリドン等の有機系溶媒が挙げられる。   Examples of the solvent for the polymer include, but are not limited to, inorganic salt solvents such as zinc chloride and sodium thiocyanate, and organic solvents such as dimethyl sulfoxide, dimethylformamide, dimethylacetamide, and N-methylpyrrolidone. It is done.

かかる重合体を溶媒に溶解した紡糸原液は、一般に、湿式、乾式または乾湿式により紡糸して繊維化する。必要により加圧スチームなどの加熱熱媒中で延伸して、配向を調整たり、場合によっては130〜200℃の熱処理をさらに施し、巻き取ってPAN系前駆体繊維を得ることができる。なお、前記PAN系前駆体繊維の基本骨格は図4(一番上)に示している。ここで、前記PAN系前駆体繊維の重量平均分子量(Mw)としては、以下に制限されない。   A spinning solution in which such a polymer is dissolved in a solvent is generally spun into fibers by wet, dry or dry wet methods. If necessary, the film is stretched in a heating heat medium such as pressurized steam to adjust the orientation, or in some cases, further subjected to a heat treatment at 130 to 200 ° C. and wound to obtain a PAN-based precursor fiber. The basic skeleton of the PAN-based precursor fiber is shown in FIG. 4 (top). Here, the weight average molecular weight (Mw) of the PAN-based precursor fiber is not limited to the following.

続いて、PAN系前駆体繊維から、本発明におけるPAN系炭素繊維を製造する。   Subsequently, the PAN-based carbon fiber in the present invention is produced from the PAN-based precursor fiber.

詳細にいえば、まず、PAN系前駆体繊維を安定化処理する。安定化処理では、空気などの酸化性雰囲気中、以下に限定されないが、好ましくは200〜350℃、より好ましくは200〜300℃、さらに好ましくは230〜270℃で加熱しつつ、0.95〜1.05倍に延伸する。これにより、PAN系前駆体繊維を耐炎化繊維へと変換させる。その際、処理時間は、特に限定されないが、例えば80〜160分であり、加圧度は、特に限定されないが、例えば1.3g/cm超である。なお、前記耐炎化繊維の基本骨格は図4(上から2番目)に示している。その後、任意の段階として、得られた耐炎化繊維を、空気などの酸化性雰囲気中、以下に限定されないが、好ましくは800〜1200℃で加熱しつつ賦活化することにより活性炭素繊維を得る。 More specifically, first, the PAN-based precursor fiber is stabilized. The stabilization treatment is not limited to the following in an oxidizing atmosphere such as air, but preferably is 200 to 350 ° C., more preferably 200 to 300 ° C., and even more preferably 230 to 270 ° C. Stretch 1.05 times. Thereby, the PAN-based precursor fiber is converted into a flame-resistant fiber. At that time, the treatment time is not particularly limited, but is, for example, 80 to 160 minutes, and the degree of pressurization is not particularly limited, but is, for example, more than 1.3 g / cm 3 . The basic skeleton of the flameproof fiber is shown in FIG. 4 (second from the top). Thereafter, as an optional step, the obtained flame-resistant fiber is not limited to the following in an oxidizing atmosphere such as air, but preferably activated carbon fiber is obtained by activation while heating at 800 to 1200 ° C.

続いて、得られた活性炭素繊維(または耐炎化繊維)を炭素化処理する。窒素等の不活性雰囲気中、最高温度として、以下に限定されないが、好ましくは600〜900℃、より好ましくは700〜800℃で加熱しつつ、1.0〜1.1倍に延伸する。次に、窒素等の不活性雰囲気中、最高温度として、以下に限定されないが、好ましくは1000〜1800℃、より好ましくは1200〜1500℃で加熱しつつ、0.95〜1.0倍に延伸することにより炭素化繊維が得られる。なお、前記耐炎化繊維の基本骨格は図4(上から3番目)に示している。図4に示すように、炭素化繊維は、「炭素−炭素」結合の途中に窒素原子が存在するため、その導電性は、黒鉛化処理後の黒鉛化繊維(結晶)の導電性と比較して、有意に低い。   Subsequently, the obtained activated carbon fiber (or flame-resistant fiber) is carbonized. In an inert atmosphere such as nitrogen, the maximum temperature is not limited to the following, but it is preferably 600 to 900 ° C, more preferably 700 to 800 ° C, while stretching 1.0 to 1.1 times. Next, in an inert atmosphere such as nitrogen, the maximum temperature is not limited to the following, but is preferably 0.91 to 1800 ° C, more preferably 1200 to 1500 ° C, while stretching 0.95 to 1.0 times. By doing so, a carbonized fiber is obtained. The basic skeleton of the flameproof fiber is shown in FIG. 4 (third from the top). As shown in FIG. 4, since carbonized fibers have nitrogen atoms in the middle of the “carbon-carbon” bond, their conductivity is compared with the conductivity of graphitized fibers (crystals) after graphitization. Significantly lower.

本発明におけるPAN系炭素繊維の製造方法では行わないが、一般的なPAN系炭素繊維の製造方法では必須に行われる黒鉛化処理について、念のため説明する。前記炭素化繊維を、窒素等の不活性雰囲気中、最高温度として、以下に限定されないが、好ましくは2000〜3000℃、より好ましくは2200〜3000℃、さらに好ましくは2200〜2800℃で加熱しつつ、1.01〜1.2倍に延伸する。その際、処理時間は、特に限定されないが、例えば150〜400秒である。なお、前記黒鉛化繊維の基本骨格は図4(一番下)に示している。このようにして得られた黒鉛化繊維に対して、表面酸化処理、好ましくは酸又はアルカリ水溶液中で10〜200クーロン/gの電解酸化処理を行い、繊維表面に接着性を高める官能基を生じさせる場合がある。   Although not performed in the method for producing a PAN-based carbon fiber in the present invention, a graphitization treatment that is essential in a general method for producing a PAN-based carbon fiber will be described just in case. While the carbonized fiber is not limited to the following as the maximum temperature in an inert atmosphere such as nitrogen, it is preferably 2000 to 3000 ° C, more preferably 2200 to 3000 ° C, and even more preferably 2200 to 2800 ° C. 1.01 to 1.2 times. At that time, the processing time is not particularly limited, but is, for example, 150 to 400 seconds. The basic skeleton of the graphitized fiber is shown in FIG. 4 (bottom). The graphitized fiber thus obtained is subjected to a surface oxidation treatment, preferably an electrolytic oxidation treatment of 10 to 200 coulomb / g in an acid or alkaline aqueous solution, to produce a functional group that enhances adhesion on the fiber surface. There is a case to let you.

本発明では、上述したように、炭素化処理後、そのまま表面処理やサイジングからなる仕上げ(フィラメントの切断)処理を行う。この処理により得られたチョップドファイバーを、紙を作るのと同様に抄紙化する。抄紙化の方法や条件については従来公知のものを適用すればよい。用いる材料としては、以下に限定されないが、多孔質材料層の構成成分(炭素繊維など)、活性炭、パルプ(セルロース繊維など)、人造黒鉛微粉などが挙げられる。各材料の添加割合は抄紙化可能な範囲であれば、特に制限されることはない。得られる抄紙(シート)の寸法、重さについても特に制限されることはない。続いて行う前記抄紙(シート)焼成の条件としては、抄紙に含まれる材料の黒鉛化が実現できる最適な温度及び時間で実施する限り、特に限定されない。一例として、1000〜2500℃で1〜48時間がありうる。   In the present invention, as described above, after the carbonization treatment, the finishing (filament cutting) treatment including surface treatment and sizing is performed as it is. The chopped fiber obtained by this treatment is made into paper as in the case of making paper. A conventionally known method may be applied to the papermaking method and conditions. Examples of the material to be used include, but are not limited to, constituents of the porous material layer (such as carbon fiber), activated carbon, pulp (such as cellulose fiber), and artificial graphite fine powder. The addition ratio of each material is not particularly limited as long as it can be made into paper. There are no particular restrictions on the size and weight of the paper (sheet) obtained. The conditions for the subsequent papermaking (sheet) firing are not particularly limited as long as the conditions are set at an optimum temperature and time for realizing graphitization of the material contained in the papermaking. As an example, there may be 1-48 hours at 1000-2500 ° C.

ここで、抄紙化する際、好ましくはファイバーの表面を従来公知のフッ素系液体を用いて撥水処理加工を行う。抄紙化されたシートは、以下に制限されないが、厚みが0.2〜2mm/枚で、かつ100〜250g/mの密度を有することが好ましい。このシートを好ましくは1〜5枚積層して、窒素やアルゴンなどの不活性ガス雰囲気中で焼成する。焼成は上記シートの反りを防止するため、例えば黒鉛板の間に挟んで行ってもよい。焼成の昇温は、以下に制限されないが、約800℃以下(最高到達温度)で5〜100時間行うのが好ましい。焼成の最終温度は特に制限されない。これにより、ガス拡散層のロール状シートを得ることができる。 Here, when making the paper, the surface of the fiber is preferably subjected to a water repellent treatment using a conventionally known fluorine-based liquid. The paper-made sheet is not limited to the following, but preferably has a thickness of 0.2 to 2 mm / sheet and a density of 100 to 250 g / m 2 . Preferably 1 to 5 sheets are laminated and fired in an atmosphere of an inert gas such as nitrogen or argon. Firing may be performed, for example, between graphite plates in order to prevent warpage of the sheet. Although the temperature rise of baking is not limited to the following, it is preferably performed at a temperature of about 800 ° C. or lower (maximum temperature reached) for 5 to 100 hours. The final temperature for firing is not particularly limited. Thereby, the roll-shaped sheet of a gas diffusion layer can be obtained.

ここで、前記撥水処理加工についてより詳細に説明する。ガス拡散層に対しては、撥水性をより高めてフラッディング現象などを防止することを目的として、撥水剤を用いることが好ましい。撥水剤としては、特に限定されないが、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)、ポリヘキサフルオロプロピレン、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体(FEP)などのフッ素系の高分子材料、ポリプロピレン、ポリエチレンなどが挙げられる。   Here, the water repellent treatment will be described in more detail. For the gas diffusion layer, it is preferable to use a water repellent for the purpose of further improving the water repellency and preventing the flooding phenomenon. Although it does not specifically limit as a water repellent, Fluorine-type high things, such as polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylidene fluoride (PVdF), polyhexafluoropropylene, and tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer (FEP), are included. Examples thereof include molecular materials, polypropylene, and polyethylene.

また、撥水性をより向上させるために、ガス拡散層は、撥水剤を含むカーボン粒子の集合体からなるカーボン粒子層(マイクロポーラス層;MPL、図示せず)を基材の触媒層側に有するものであってもよい。   In order to further improve the water repellency, the gas diffusion layer has a carbon particle layer (microporous layer; MPL, not shown) made of an aggregate of carbon particles containing a water repellent agent on the catalyst layer side of the substrate. You may have.

カーボン粒子層に含まれるカーボン粒子は特に限定されず、カーボンブラック、グラファイト、膨張黒鉛などの従来公知の材料が適宜採用されうる。なかでも、電子伝導性に優れ、比表面積が大きいことから、オイルファーネスブラック、チャネルブラック、ランプブラック、サーマルブラック、アセチレンブラックなどのカーボンブラックが好ましく用いられうる。カーボン粒子の平均粒子径は、10〜100nm程度とするのがよい。これにより、毛細管力による高い排水性が得られるとともに、触媒層との接触性も向上させることが可能となる。   The carbon particles contained in the carbon particle layer are not particularly limited, and conventionally known materials such as carbon black, graphite, and expanded graphite can be appropriately employed. Among them, carbon black such as oil furnace black, channel black, lamp black, thermal black, acetylene black and the like can be preferably used because of excellent electron conductivity and a large specific surface area. The average particle diameter of the carbon particles is preferably about 10 to 100 nm. Thereby, while being able to obtain the high drainage property by capillary force, it becomes possible to improve contact property with a catalyst layer.

カーボン粒子層に用いられる撥水剤としては、上述した撥水剤と同様のものが挙げられる。なかでも、撥水性、電極反応時の耐食性などに優れることから、フッ素系の高分子材料が好ましく用いられうる。   Examples of the water repellent used in the carbon particle layer include the same water repellent as described above. Among these, fluorine-based polymer materials can be preferably used because of excellent water repellency, corrosion resistance during electrode reaction, and the like.

カーボン粒子層におけるカーボン粒子と撥水剤との混合比は、撥水性及び電子伝導性のバランスを考慮して、質量比で90:10〜40:60(カーボン粒子:撥水剤)程度とするのがよい。なお、カーボン粒子層の厚さについても特に制限はなく、得られるガス拡散層の撥水性を考慮して適宜決定すればよい。   The mixing ratio of the carbon particles and the water repellent in the carbon particle layer is about 90:10 to 40:60 (carbon particles: water repellent) in mass ratio in consideration of the balance between water repellency and electron conductivity. It is good. In addition, there is no restriction | limiting in particular also about the thickness of a carbon particle layer, What is necessary is just to determine suitably in consideration of the water repellency of the gas diffusion layer obtained.

[第3実施形態]
本発明の第2実施形態に係る固体高分子型燃料電池について、各構成部材を説明する。まず、一方の面にアノード(酸化剤側)触媒層が形成され、他方の面にカソード(燃料ガス剤側)触媒層が形成された固体高分子電解質膜を備える。次に、各触媒層の外側に配置されたガス拡散層を備える。ここで、前記アノード触媒層及びカソード触媒層の外側に配置された前記ガス拡散層のうち少なくとも一方が、上記第1実施形態のガス拡散層または上記第2実施形態の製造方法により得られたガス拡散層である。好ましくは、Pt触媒層の外側に配置されたガス拡散層が少なくとも、上記第1実施形態のガス拡散層または上記第2実施形態の製造方法により得られたガス拡散層である。また、前記ガス拡散層の両側それぞれに設けられたガスケットを備える。また、前記ガスケットの両側それぞれに設けられ、アノードまたはカソードの集電板としての性能を有するガス不透過性カーボンセパレータまたは金属セパレータを備える。
[Third Embodiment]
Each constituent member of the polymer electrolyte fuel cell according to the second embodiment of the present invention will be described. First, a solid polymer electrolyte membrane having an anode (oxidant side) catalyst layer formed on one surface and a cathode (fuel gas agent side) catalyst layer formed on the other surface is provided. Next, a gas diffusion layer is provided outside each catalyst layer. Here, at least one of the gas diffusion layers arranged outside the anode catalyst layer and the cathode catalyst layer is a gas obtained by the gas diffusion layer of the first embodiment or the manufacturing method of the second embodiment. It is a diffusion layer. Preferably, the gas diffusion layer disposed outside the Pt catalyst layer is at least the gas diffusion layer of the first embodiment or the gas diffusion layer obtained by the manufacturing method of the second embodiment. Moreover, the gasket provided in each of the both sides of the said gas diffusion layer is provided. In addition, a gas impermeable carbon separator or a metal separator provided on each side of the gasket and having a performance as an anode or cathode current collector is provided.

なかでも、本実施形態における燃料電池用ガス拡散層は、種々の用途に用いられうる。その代表例が、図1に示すPEFCのガス拡散層(4a、4c)である。   Especially, the gas diffusion layer for fuel cells in this embodiment can be used for various uses. A typical example is the gas diffusion layer (4a, 4c) of PEFC shown in FIG.

図1に示したように、PEFC1は、まず、固体高分子電解質膜2と、これを挟持する一対の触媒層(アノード触媒層3a及びカソード触媒層3c)とを有する。そして、固体高分子電解質膜2と触媒層(3a、3c)との積層体はさらに、一対のガス拡散層(GDL)(アノードガス拡散層4a及びカソードガス拡散層4c)により挟持されている。このように、固体高分子電解質膜2、一対の触媒層(3a、3c)及び一対のガス拡散層(4a、4c)は、積層された状態で膜電極接合体(MEA)10を構成する。   As shown in FIG. 1, the PEFC 1 first includes a solid polymer electrolyte membrane 2 and a pair of catalyst layers (an anode catalyst layer 3a and a cathode catalyst layer 3c) that sandwich the membrane. The laminate of the solid polymer electrolyte membrane 2 and the catalyst layers (3a, 3c) is further sandwiched between a pair of gas diffusion layers (GDL) (anode gas diffusion layer 4a and cathode gas diffusion layer 4c). Thus, the solid polymer electrolyte membrane 2, the pair of catalyst layers (3a, 3c), and the pair of gas diffusion layers (4a, 4c) constitute a membrane electrode assembly (MEA) 10 in a stacked state.

PEFC1において、MEA10はさらに、一対のセパレータ(アノードセパレータ5a及びカソードセパレータ5c)により挟持されている。図1において、セパレータ(5a、5c)は、図示したMEA10の両端に位置するように図示されている。ただし、複数のMEAが積層されてなる燃料電池スタックでは、セパレータは、隣接するPEFC(図示せず)のためのセパレータとしても用いられるのが一般的である。換言すれば、燃料電池スタックにおいてMEAは、セパレータを介して順次積層されることにより、スタックを構成することとなる。なお、実際の燃料電池スタックにおいては、セパレータ(5a、5c)と固体高分子電解質膜2との間や、PEFC1とこれと隣接する他のPEFCとの間にガスシール部が配置されるが、図1ではこれらの記載を省略する。   In PEFC1, the MEA 10 is further sandwiched between a pair of separators (anode separator 5a and cathode separator 5c). In FIG. 1, the separators (5 a, 5 c) are illustrated so as to be positioned at both ends of the illustrated MEA 10. However, in a fuel cell stack in which a plurality of MEAs are stacked, the separator is generally used as a separator for an adjacent PEFC (not shown). In other words, in the fuel cell stack, the MEAs are sequentially stacked via the separator to form a stack. In an actual fuel cell stack, a gas seal portion is disposed between the separator (5a, 5c) and the solid polymer electrolyte membrane 2, or between the PEFC 1 and another adjacent PEFC. These descriptions are omitted in FIG.

セパレータ(5a、5c)は、例えば、厚さ0.5mm以下の薄板にプレス処理を施すことで図1に示すような凹凸状の形状に成形することにより得られる。セパレータ(5a、5c)のMEA側から見た凸部はMEA10と接触している。これにより、MEA10との電気的な接続が確保される。また、セパレータ(5a、5c)のMEA側から見た凹部(セパレータの有する凹凸状の形状に起因して生じるセパレータとMEAとの間の空間)は、PEFC1の運転時にガスを流通させるためのガス流路として機能する。具体的には、アノードセパレータ5aのガス流路6aには燃料ガス(例えば、水素など)を流通させ、カソードセパレータ5cのガス流路6cには酸化剤ガス(例えば、空気など)を流通させる。   The separators (5a, 5c) are obtained, for example, by forming a concavo-convex shape as shown in FIG. 1 by subjecting a thin plate having a thickness of 0.5 mm or less to a press treatment. The convex part seen from the MEA side of the separator (5a, 5c) is in contact with the MEA 10. Thereby, the electrical connection with MEA10 is ensured. Further, a recess (space between the separator and the MEA generated due to the concavo-convex shape of the separator) viewed from the MEA side of the separator (5a, 5c) is a gas for circulating gas during operation of the PEFC 1 Functions as a flow path. Specifically, a fuel gas (for example, hydrogen) is circulated through the gas flow path 6a of the anode separator 5a, and an oxidant gas (for example, air) is circulated through the gas flow path 6c of the cathode separator 5c.

一方、セパレータ(5a、5c)のMEA側とは反対の側から見た凹部は、PEFC1の運転時にPEFCを冷却するための冷媒(例えば、水)を流通させるための冷媒流路7とされる。さらに、セパレータには通常、マニホールド(図示せず)が設けられる。このマニホールドは、スタックを構成した際に各セルを連結するための連結手段として機能する。かような構成とすることで、燃料電池スタックの機械的強度が確保されうる。   On the other hand, the recess viewed from the side opposite to the MEA side of the separator (5a, 5c) serves as a refrigerant flow path 7 for circulating a refrigerant (for example, water) for cooling the PEFC during operation of the PEFC 1. . Further, the separator is usually provided with a manifold (not shown). This manifold functions as a connection means for connecting cells when a stack is formed. With such a configuration, the mechanical strength of the fuel cell stack can be ensured.

ただし、本実施形態における燃料電池用ガス拡散層の用途はこれに限られることはない。例えば、PEFC以外にも、リン酸形燃料電池(PAFC)、溶融炭酸塩形燃料電池(MCFC)、固体電解質形燃料電池(SOFC)またはアルカリ形燃料電池(AFC)などの各種の燃料電池用ガス拡散層としても好適に使用可能である。これらの燃料電池に共通して、導電性の向上や大幅なコストダウンを図ることができる。   However, the use of the fuel cell gas diffusion layer in the present embodiment is not limited to this. For example, in addition to PEFC, various fuel cell gases such as phosphoric acid fuel cell (PAFC), molten carbonate fuel cell (MCFC), solid electrolyte fuel cell (SOFC) or alkaline fuel cell (AFC) It can also be suitably used as a diffusion layer. In common with these fuel cells, the conductivity can be improved and the cost can be greatly reduced.

以下、図1を参照しつつ、本実施形態の導電部材から構成されるガス拡散層を用いたPEFCの構成要素について説明する。ただし、本発明はガス拡散層に特徴を有するものである。よって、PEFCにおけるガス拡散層の形状等の具体的な形態や、燃料電池を構成するガス拡散層以外の部材の具体的な形態については、従来公知の知見を参照しつつ、適宜、改変が施されうる。   Hereinafter, the components of the PEFC using the gas diffusion layer formed of the conductive member of the present embodiment will be described with reference to FIG. However, the present invention is characterized by the gas diffusion layer. Therefore, the specific form such as the shape of the gas diffusion layer in the PEFC and the specific form of the members other than the gas diffusion layer constituting the fuel cell are appropriately modified with reference to conventionally known knowledge. Can be done.

<セパレータ>
燃料電池のスタック(セルを重ねたもの)の中で、セルとセルの間に挟まれる板状の部材である。電気を伝えつつ、燃料ガスや空気を遮断する役割を有する。セルをシールするだけでなく、ガスの流れを確保して燃料ガスや空気を送る機能も有する。
<Separator>
It is a plate-like member sandwiched between cells in a fuel cell stack (a stack of cells). It has the role of blocking fuel gas and air while transmitting electricity. In addition to sealing the cell, it also has the function of ensuring the gas flow and sending fuel gas and air.

高い導電性が要求される燃料電池用セパレータの構成材料としては、従来、金属、カーボン、または導電性樹脂などが知られている。近年では、車載用PEFCなどにおいて、燃料電池スタックの小型化が可能となるセパレータであって、導電性を確保しつつ、耐食性をも向上させるものが好適に用いられる。上記した金属、カーボン、または導電性樹脂といったセパレータについては、従来公知のものが使用できるため、ここでは説明を省略する。   Conventionally, metals, carbon, conductive resins, and the like are known as constituent materials for fuel cell separators that require high conductivity. In recent years, a separator that can reduce the size of a fuel cell stack in an in-vehicle PEFC or the like, and that improves corrosion resistance while ensuring conductivity is preferably used. As the separator such as the above-described metal, carbon, or conductive resin, since a conventionally known separator can be used, description thereof is omitted here.

<電解質層>
電解質層は、例えば、図1に示す形態のように固体高分子電解質膜2から構成される。この固体高分子電解質膜2は、PEFC1の運転時にアノード触媒層3aで生成したプロトンを膜厚方向に沿ってカソード触媒層3cへと選択的に透過させる機能を有する。また、固体高分子電解質膜2は、アノード側に供給される燃料ガスとカソード側に供給される酸化剤ガスとを混合させないための隔壁としての機能をも有する。
<Electrolyte layer>
The electrolyte layer is composed of, for example, a solid polymer electrolyte membrane 2 as shown in FIG. The solid polymer electrolyte membrane 2 has a function of selectively permeating protons generated in the anode catalyst layer 3a during operation of the PEFC 1 to the cathode catalyst layer 3c along the film thickness direction. The solid polymer electrolyte membrane 2 also has a function as a partition wall for preventing the fuel gas supplied to the anode side and the oxidant gas supplied to the cathode side from being mixed.

固体高分子電解質膜2は、構成材料であるイオン交換樹脂の種類によって、フッ素系高分子電解質膜と炭化水素系高分子電解質膜とに大別される。フッ素系高分子電解質膜を構成するイオン交換樹脂としては、例えば、ナフィオン(登録商標、デュポン社製)、アシプレックス(登録商標、旭化成株式会社製)、フレミオン(登録商標、旭硝子株式会社製)等のパーフルオロカーボンスルホン酸系ポリマー、パーフルオロカーボンホスホン酸系ポリマー、トリフルオロスチレンスルホン酸系ポリマー、エチレンテトラフルオロエチレン−g−スチレンスルホン酸系ポリマー、エチレン−テトラフルオロエチレン共重合体、ポリビニリデンフルオリド−パーフルオロカーボンスルホン酸系ポリマーなどが挙げられる。耐熱性、化学的安定性などの発電性能を向上させるという観点からは、これらのフッ素系高分子電解質膜が好ましく用いられ、特に好ましくはパーフルオロカーボンスルホン酸系ポリマーから構成されるフッ素系高分子電解質膜が用いられる。   The solid polymer electrolyte membrane 2 is roughly classified into a fluorine-based polymer electrolyte membrane and a hydrocarbon-based polymer electrolyte membrane depending on the type of ion exchange resin that is a constituent material. Examples of ion exchange resins constituting the fluorine-based polymer electrolyte membrane include Nafion (registered trademark, manufactured by DuPont), Aciplex (registered trademark, manufactured by Asahi Kasei Co., Ltd.), Flemion (registered trademark, manufactured by Asahi Glass Co., Ltd.), and the like. Perfluorocarbon sulfonic acid polymer, perfluorocarbon phosphonic acid polymer, trifluorostyrene sulfonic acid polymer, ethylene tetrafluoroethylene-g-styrene sulfonic acid polymer, ethylene-tetrafluoroethylene copolymer, polyvinylidene fluoride- Examples include perfluorocarbon sulfonic acid polymers. From the viewpoint of improving power generation performance such as heat resistance and chemical stability, these fluorine-based polymer electrolyte membranes are preferably used, and particularly preferably fluorine-based polymer electrolytes composed of perfluorocarbon sulfonic acid polymers. A membrane is used.

炭化水素系電解質として、具体的には、スルホン化ポリエーテルスルホン(S−PES)、スルホン化ポリアリールエーテルケトン、スルホン化ポリベンズイミダゾールアルキル、ホスホン化ポリベンズイミダゾールアルキル、スルホン化ポリスチレン、スルホン化ポリエーテルエーテルケトン(S−PEEK)、スルホン化ポリフェニレン(S−PPP)などが挙げられる。原料が安価で製造工程が簡便であり、かつ材料の選択性が高いといった製造上の観点からは、これらの炭化水素系高分子電解質膜が好ましく用いられる。なお、上述したイオン交換樹脂は、1種のみが単独で用いられてもよいし、2種以上が併用されてもよい。また、上述した材料のみに制限されず、その他の材料が用いられてもよい。   Specific examples of the hydrocarbon electrolyte include sulfonated polyethersulfone (S-PES), sulfonated polyaryletherketone, sulfonated polybenzimidazole alkyl, phosphonated polybenzimidazole alkyl, sulfonated polystyrene, and sulfonated poly. Examples include ether ether ketone (S-PEEK) and sulfonated polyphenylene (S-PPP). These hydrocarbon polymer electrolyte membranes are preferably used from the viewpoint of production such that the raw material is inexpensive, the production process is simple, and the material selectivity is high. In addition, as for the ion exchange resin mentioned above, only 1 type may be used independently and 2 or more types may be used together. Moreover, it is not restricted only to the material mentioned above, Other materials may be used.

電解質層の厚さは、得られる燃料電池の特性を考慮して適宜決定すればよく、特に制限されない。電解質層の厚さは、通常は5〜300μm程度である。電解質層の厚さがかような範囲内の値であると、製膜時の強度や使用時の耐久性及び使用時の出力特性のバランスが適切に制御されうる。   The thickness of the electrolyte layer may be appropriately determined in consideration of the characteristics of the obtained fuel cell, and is not particularly limited. The thickness of the electrolyte layer is usually about 5 to 300 μm. When the thickness of the electrolyte layer is within such a range, the balance of strength during film formation, durability during use, and output characteristics during use can be appropriately controlled.

<触媒層>
触媒層(アノード触媒層3a、カソード触媒層3c)は、実際に電池反応が進行する層である。具体的には、アノード触媒層3aでは水素の酸化反応が進行し、カソード触媒層3cでは酸素の還元反応が進行する。
<Catalyst layer>
The catalyst layers (the anode catalyst layer 3a and the cathode catalyst layer 3c) are layers in which the cell reaction actually proceeds. Specifically, the oxidation reaction of hydrogen proceeds in the anode catalyst layer 3a, and the reduction reaction of oxygen proceeds in the cathode catalyst layer 3c.

触媒層は、触媒成分、触媒成分を担持する導電性の触媒担体、及び電解質を含む。以下、触媒担体に触媒成分が担持されてなる複合体を「電極触媒」とも称する。   The catalyst layer includes a catalyst component, a conductive catalyst carrier that supports the catalyst component, and an electrolyte. Hereinafter, a composite in which a catalyst component is supported on a catalyst carrier is also referred to as an “electrode catalyst”.

アノード触媒層に用いられる触媒成分は、水素の酸化反応に触媒作用を有するものであれば特に制限はなく公知の触媒が同様にして使用できる。また、カソード触媒層に用いられる触媒成分もまた、酸素の還元反応に触媒作用を有するものであれば特に制限はなく公知の触媒が同様にして使用できる。具体的には、白金、ルテニウム、イリジウム、ロジウム、パラジウム、オスミウム、タングステン、鉛、鉄、クロム、コバルト、ニッケル、マンガン、バナジウム、モリブデン、ガリウム、アルミニウム等の金属及びこれらの合金などから選択されうる。   The catalyst component used in the anode catalyst layer is not particularly limited as long as it has a catalytic action in the oxidation reaction of hydrogen, and a known catalyst can be used in the same manner. The catalyst component used in the cathode catalyst layer is not particularly limited as long as it has a catalytic action for the oxygen reduction reaction, and a known catalyst can be used in the same manner. Specifically, it can be selected from metals such as platinum, ruthenium, iridium, rhodium, palladium, osmium, tungsten, lead, iron, chromium, cobalt, nickel, manganese, vanadium, molybdenum, gallium, aluminum, and alloys thereof. .

これらのうち、触媒活性、一酸化炭素等に対する耐被毒性、耐熱性などを向上させるために、少なくとも白金を含むものが好ましく用いられる。前記合金の組成は、合金化する金属の種類にもよるが、白金の含有量を30〜90原子%とし、白金と合金化する金属の含有量を10〜70原子%とするのがよい。なお、合金とは、一般に金属元素に1種以上の金属元素または非金属元素を加えたものであって、金属的性質をもっているものの総称である。合金の組織には、成分元素が別個の結晶となるいわば混合物である共晶合金、成分元素が完全に溶け合い固溶体となっているもの、成分元素が金属間化合物または金属と非金属との化合物を形成しているものなどがあり、本願ではいずれであってもよい。この際、アノード触媒層に用いられる触媒成分及びカソード触媒層に用いられる触媒成分は、上記の中から適宜選択されうる。本明細書では、特記しない限り、アノード触媒層用及びカソード触媒層用の触媒成分についての説明は、両者について同様の定義である。よって、一括して「触媒成分」と称する。しかしながら、アノード触媒層及びカソード触媒層の触媒成分は同一である必要はなく、上記したような所望の作用を奏するように、適宜選択されうる。   Among these, those containing at least platinum are preferably used in order to improve catalyst activity, poisoning resistance to carbon monoxide and the like, heat resistance, and the like. Although the composition of the alloy depends on the type of metal to be alloyed, the content of platinum is preferably 30 to 90 atomic%, and the content of the metal to be alloyed with platinum is preferably 10 to 70 atomic%. In general, an alloy is a generic term for a metal element having one or more metal elements or non-metal elements added and having metallic properties. The alloy structure consists of a eutectic alloy, which is a mixture of the component elements as separate crystals, a component element completely melted into a solid solution, and a component element composed of an intermetallic compound or a compound of a metal and a nonmetal. There is what is formed, and any may be used in the present application. At this time, the catalyst component used for the anode catalyst layer and the catalyst component used for the cathode catalyst layer can be appropriately selected from the above. In the present specification, unless otherwise specified, descriptions of the catalyst components for the anode catalyst layer and the cathode catalyst layer have the same definition for both. Therefore, they are collectively referred to as “catalyst components”. However, the catalyst components of the anode catalyst layer and the cathode catalyst layer do not have to be the same, and can be appropriately selected so as to achieve the desired action as described above.

触媒成分の形状や大きさは、特に制限されず公知の触媒成分と同様の形状及び大きさが採用されうる。ただし、触媒成分の形状は、粒状であることが好ましい。この際、触媒粒子の平均粒子径は、好ましくは1〜30nmである。触媒粒子の平均粒子径がかような範囲内の値であると、電気化学反応が進行する有効電極面積に関連する触媒利用率と担持の簡便さとのバランスが適切に制御されうる。なお、本発明における「触媒粒子の平均粒子径」は、X線回折における触媒成分の回折ピークの半値幅より求められる結晶子径や、透過形電子顕微鏡像より調べられる触媒成分の粒子径の平均値として測定されうる。   The shape and size of the catalyst component are not particularly limited, and the same shape and size as known catalyst components can be adopted. However, the shape of the catalyst component is preferably granular. At this time, the average particle diameter of the catalyst particles is preferably 1 to 30 nm. When the average particle diameter of the catalyst particles is within such a range, the balance between the catalyst utilization rate related to the effective electrode area where the electrochemical reaction proceeds and the ease of loading can be appropriately controlled. The “average particle diameter of catalyst particles” in the present invention is the average of the crystallite diameter determined from the half-value width of the diffraction peak of the catalyst component in X-ray diffraction or the average particle diameter of the catalyst component determined from a transmission electron microscope image. It can be measured as a value.

触媒担体は、上述した触媒成分を担持するための担体、及び触媒成分と他の部材との間での電子の授受に関与する電子伝導パスとして機能する。   The catalyst carrier functions as a carrier for supporting the above-described catalyst component, and an electron conduction path involved in the transfer of electrons between the catalyst component and another member.

触媒担体としては、触媒成分を所望の分散状態で担持させるための比表面積を有し、充分な電子伝導性を有しているものであればよく、主成分がカーボンであることが好ましい。具体的には、カーボンブラック、活性炭、コークス、天然黒鉛、人造黒鉛などからなるカーボン粒子が挙げられる。なお、「主成分がカーボンである」とは、主成分として炭素原子を含むことをいい、炭素原子のみからなる、実質的に炭素原子からなる、の双方を含む概念である。場合によっては、燃料電池の特性を向上させるために、炭素原子以外の元素が含まれていてもよい。なお、「実質的に炭素原子からなる」とは、2〜3質量%程度以下の不純物の混入が許容されうることを意味する。   Any catalyst carrier may be used as long as it has a specific surface area for supporting the catalyst component in a desired dispersion state and sufficient electron conductivity, and the main component is preferably carbon. Specific examples include carbon particles made of carbon black, activated carbon, coke, natural graphite, artificial graphite and the like. “The main component is carbon” means that the main component contains carbon atoms, and is a concept that includes both carbon atoms and substantially carbon atoms. In some cases, elements other than carbon atoms may be included in order to improve the characteristics of the fuel cell. Note that “substantially consisting of carbon atoms” means that contamination of about 2 to 3 mass% or less of impurities can be allowed.

触媒担体のBET比表面積は、触媒成分を高分散担持させるのに充分な比表面積であればよいが、好ましくは20〜1600m/g、より好ましくは80〜1200m/gである。触媒担体の比表面積がかような範囲内の値であると、触媒担体上での触媒成分の分散性と触媒成分の有効利用率とのバランスが適切に制御されうる。 The BET specific surface area of the catalyst carrier may be a specific surface area sufficient to carry the catalyst component in a highly dispersed state, but is preferably 20 to 1600 m 2 / g, more preferably 80 to 1200 m 2 / g. When the specific surface area of the catalyst carrier is in such a range, the balance between the dispersibility of the catalyst component on the catalyst carrier and the effective utilization rate of the catalyst component can be appropriately controlled.

触媒担体のサイズについても特に限定されないが、担持の簡便さ、触媒利用率、触媒層の厚みを適切な範囲で制御するなどの観点からは、平均粒子径を5〜200nm程度、好ましくは10〜100nm程度とするとよい。   The size of the catalyst carrier is not particularly limited, but from the viewpoint of controlling the ease of loading, the catalyst utilization, and the thickness of the catalyst layer within an appropriate range, the average particle size is about 5 to 200 nm, preferably 10 to 10 nm. About 100 nm is preferable.

触媒担体に触媒成分が担持されてなる電極触媒において、触媒成分の担持量は、電極触媒の全量に対して、好ましくは10〜80質量%、より好ましくは30〜70質量%である。触媒成分の担持量がかような範囲内の値であると、触媒担体上での触媒成分の分散度と触媒性能とのバランスが適切に制御されうる。なお、電極触媒における触媒成分の担持量は、誘導結合プラズマ発光分光法(ICP)によって測定されうる。   In the electrode catalyst in which the catalyst component is supported on the catalyst carrier, the supported amount of the catalyst component is preferably 10 to 80% by mass, more preferably 30 to 70% by mass with respect to the total amount of the electrode catalyst. When the supported amount of the catalyst component is within such a range, the balance between the degree of dispersion of the catalyst component on the catalyst support and the catalyst performance can be appropriately controlled. The amount of the catalyst component supported on the electrode catalyst can be measured by inductively coupled plasma emission spectroscopy (ICP).

触媒層には、電極触媒に加えて、イオン伝導性の高分子電解質が含まれる。当該高分子電解質は特に限定されず従来公知の知見が適宜参照されうる。例えば、上述した電解質層を構成するイオン交換樹脂が、高分子電解質として触媒層に添加されうる。   The catalyst layer includes an ion conductive polymer electrolyte in addition to the electrode catalyst. The polymer electrolyte is not particularly limited, and conventionally known knowledge can be referred to as appropriate. For example, the ion exchange resin which comprises the electrolyte layer mentioned above can be added to a catalyst layer as a polymer electrolyte.

<燃料電池の製造方法>
燃料電池の製造方法は、特に制限されることなく、燃料電池の分野において従来公知の知見が適宜参照されうる。
<Fuel cell manufacturing method>
The manufacturing method of the fuel cell is not particularly limited, and conventionally known knowledge can be appropriately referred to in the field of the fuel cell.

燃料電池を運転する際に用いられる燃料は特に限定されない。例えば、水素、メタノール、エタノール、1−プロパノール、2−プロパノール、1−ブタノール、第2級ブタノール、第3級ブタノール、ジメチルエーテル、ジエチルエーテル、エチレングリコール、ジエチレングリコールなどが用いられうる。なかでも、高出力化が可能である点で、水素やメタノールが好ましく用いられる。   The fuel used when operating the fuel cell is not particularly limited. For example, hydrogen, methanol, ethanol, 1-propanol, 2-propanol, 1-butanol, secondary butanol, tertiary butanol, dimethyl ether, diethyl ether, ethylene glycol, diethylene glycol and the like can be used. Of these, hydrogen and methanol are preferably used in that high output is possible.

さらに、燃料電池が所望する電圧を発揮できるように、セパレータを介して膜電極接合体を複数積層して直列に繋いだ構造の燃料電池スタックを形成してもよい。燃料電池の形状などは、特に限定されず、所望する電圧などの電池特性が得られるように適宜決定すればよい。   Furthermore, a fuel cell stack having a structure in which a plurality of membrane electrode assemblies are stacked and connected in series via a separator may be formed so that the fuel cell can exhibit a desired voltage. The shape of the fuel cell is not particularly limited, and may be determined as appropriate so that desired battery characteristics such as voltage can be obtained.

[第4実施形態]
本発明の第4実施形態に係る車両は、上記第3実施形態の固体高分子型燃料電池(PEFC)を用いてなる。換言すれば、本実施形態のPEFC1やこれを用いた燃料電池スタックは、車両に駆動用電源として搭載されうる。
[Fourth Embodiment]
The vehicle according to the fourth embodiment of the present invention uses the polymer electrolyte fuel cell (PEFC) of the third embodiment. In other words, the PEFC 1 of the present embodiment and the fuel cell stack using the PEFC 1 can be mounted on the vehicle as a driving power source.

図12は、上述した実施形態の燃料電池スタックを搭載した車両の概略図である。図12に示すように、燃料電池スタック62を燃料電池車61のような車両に搭載するには、例えば、燃料電池車61の車体中央部の座席下に搭載すればよい。座席下に搭載すれば、車内空間およびトランクルームを広く取ることができる。場合によっては、燃料電池スタック62を搭載する場所は、座席下に限らず、後部トランクルームの下部でもよいし、車両前方のエンジンルームであってもよい。このように、上述した形態のPEFC1や燃料電池スタック62を搭載した車両もまた、本発明の技術的範囲に包含される。   FIG. 12 is a schematic view of a vehicle equipped with the fuel cell stack of the above-described embodiment. As shown in FIG. 12, in order to mount the fuel cell stack 62 on a vehicle such as the fuel cell vehicle 61, for example, the fuel cell stack 62 may be mounted under the seat at the center of the vehicle body of the fuel cell vehicle 61. If it is installed under the seat, the interior space and the trunk room can be widened. In some cases, the place where the fuel cell stack 62 is mounted is not limited to the position under the seat, but may be the lower part of the rear trunk room or the engine room in front of the vehicle. Thus, a vehicle equipped with the PEFC 1 and the fuel cell stack 62 of the above-described form is also included in the technical scope of the present invention.

ここで、上述したPEFC1や燃料電池スタックは、上記実施形態で述べたガス拡散層(4a、4c)を用いている。したがって、当該PEFC1や燃料電池スタックは長期間にわたって良好な発電性能を維持することができ、かつ顕著なコストダウンを図ることができる。本実施形態におけるPEFC1やこれを用いた燃料電池スタックは、車両に駆動用電源として好適に搭載されうる。このように、上述した形態のPEFC1や燃料電池スタックを搭載した車両もまた、本発明の技術的範囲に包含される。上述したPEFC1や燃料電池スタックは特に、発電性能に優れる。したがって、低コストで、かつ長期間にわたって信頼性の高い燃料電池搭載車両が提供されうる。   Here, the above-described PEFC 1 and the fuel cell stack use the gas diffusion layers (4a, 4c) described in the above embodiment. Therefore, the PEFC 1 and the fuel cell stack can maintain good power generation performance over a long period of time, and can achieve a significant cost reduction. The PEFC 1 and the fuel cell stack using the PEFC 1 in the present embodiment can be suitably mounted on a vehicle as a driving power source. Thus, a vehicle equipped with the PEFC 1 and the fuel cell stack of the above-described form is also included in the technical scope of the present invention. The PEFC 1 and the fuel cell stack described above are particularly excellent in power generation performance. Therefore, a low-cost and highly reliable fuel cell vehicle can be provided over a long period of time.

以下、本発明による効果を、実施例及び比較例を用いて説明するが、本発明の技術的範囲はこれらの実施例に限定されない。   Hereinafter, although the effect by this invention is demonstrated using an Example and a comparative example, the technical scope of this invention is not limited to these Examples.

[実施例1]
まず、炭素化GDLを用意した。なお、前記炭素化GDLとは、炭素化処理まで施された「特殊な」PAN系炭素繊維(PAN系炭素化繊維)を多孔質材料層の材料として用い、その後、導電性炭素層を多孔質材料層の表面上に積層させた燃料電池用GDLである。
[Example 1]
First, carbonized GDL was prepared. The carbonized GDL is a “special” PAN-based carbon fiber (PAN-based carbonized fiber) that has been subjected to carbonization treatment as a material for the porous material layer, and then the conductive carbon layer is made porous. It is GDL for fuel cells laminated | stacked on the surface of the material layer.

<クロム(Cr)層及び導電性炭素層の積層>
まず、UBMSスパッタ法により、中間層(Cr層)の積層を行った。チャンバーの真空度を3〜10Pa程度まで排気し、その後、アルゴン(Ar)ガスを1Pa程度導入した。また、燃料電池用ガス拡散層(燃料電池用GDL)自体の温度を、GDLの材質を考慮することなく、80℃とした。
<Lamination of chromium (Cr) layer and conductive carbon layer>
First, an intermediate layer (Cr layer) was laminated by UBMS sputtering. The degree of vacuum of the chamber was evacuated to about 3 to 10 Pa, and then argon (Ar) gas was introduced to about 1 Pa. The temperature of the fuel cell gas diffusion layer (fuel cell GDL) itself was set to 80 ° C. without considering the GDL material.

UBMSスパッタリングの際、多孔質材料層の材質を考慮することなく、ガス拡散層に対して140Vのバイアス電圧をかけた。ターゲットとして99%以上のCrを用いた。このようにして、厚さ20nmのCr層を多孔質材料層の表面上に中間層として積層させた。   During UBMS sputtering, a bias voltage of 140 V was applied to the gas diffusion layer without considering the material of the porous material layer. 99% or more of Cr was used as a target. In this way, a Cr layer having a thickness of 20 nm was laminated as an intermediate layer on the surface of the porous material layer.

続いて、UBMSスパッタ法により、導電性炭素層の積層を行った。ターゲットとして99%以上の黒鉛を用いた点を除き、中間層(Cr層)の積層と同一の方法・条件で導電性炭素層を積層した。得られた導電性炭素層は、グラフェン面の積層体構造を有していることを確認し、その厚さは7μmであった。   Subsequently, a conductive carbon layer was stacked by UBMS sputtering. Except for using 99% or more of graphite as a target, a conductive carbon layer was laminated by the same method and conditions as the lamination of the intermediate layer (Cr layer). The obtained conductive carbon layer was confirmed to have a laminated structure with a graphene surface, and its thickness was 7 μm.

[比較例1]
比較例として、市販の黒鉛化GDLであるTGP−H−90(東レ社製)を用いた。
[Comparative Example 1]
As a comparative example, TGP-H-90 (manufactured by Toray Industries, Inc.), which is a commercially available graphitized GDL, was used.

[比較例2]
炭素化処理まで施された「特殊な」PAN系炭素繊維を多孔質材料層の材料として用いた燃料電池用GDLを製造した。なお、クロム(Cr)層及び導電性炭素層の積層は行っていない。そのため、得られた燃料電池用GDLは、グラフェン面の積層体構造を有しない。
[Comparative Example 2]
A GDL for a fuel cell was produced using a “special” PAN-based carbon fiber subjected to carbonization treatment as a material for the porous material layer. Note that the chromium (Cr) layer and the conductive carbon layer are not stacked. Therefore, the obtained GDL for a fuel cell does not have a graphene-surface stacked body structure.

<多孔質材料層の製造>
実施例1における多孔質材料層の製造と同様の方法、条件によって、多孔質材料層を製造した。
<Manufacture of porous material layer>
A porous material layer was produced by the same method and conditions as in the production of the porous material layer in Example 1.

[R値の測定]
上記の実施例及び各比較例において作製したガス拡散層において、導電性炭素層のR値の測定を行った。具体的には、まず、顕微ラマン分光器を用いて、導電性炭素層のラマンスペクトルを計測した。そして、1300〜1400cm−1に位置するバンド(Dバンド)のピーク強度(I)と、1500〜1600cm−1に位置するバンド(Gバンド)のピーク強度(I)とのピーク面積比(I/I)を算出して、R値とした。得られた結果を下記の表1に示す。
[Measurement of R value]
In the gas diffusion layers produced in the above examples and comparative examples, the R value of the conductive carbon layer was measured. Specifically, first, the Raman spectrum of the conductive carbon layer was measured using a microscopic Raman spectrometer. Then, the peak intensity of the bands (D-band) located 1300~1400cm -1 (I D), the peak area ratio of the peak intensity (I G) of band (G-band) located 1500~1600cm -1 ( I D / I G ) was calculated and used as the R value. The obtained results are shown in Table 1 below.

[接触抵抗の測定]
上記の実施例及び各比較例で得られた燃料電池用ガス拡散層とセパレータとの接触抵抗の測定を行った。図13は、実施例及び各比較例で得られた燃料電池用ガス拡散層とセパレータとの接触抵抗の計測方法を示す図である。図13に示すように、セパレータ60として、その表面であって燃料電池用ガス拡散層62側の面に金メッキを施したステンレスプレート(平板)を用いた。そして、作製した燃料電池用ガス拡散層62を1対のセパレータ60で挟持し、その両端に電源を接続し、両側のセパレータ60の各主表面に対して垂直方向から1MPaの荷重をかけつつ保持し、測定装置を構成した。この測定装置の両端に1Aの定電流を流し、その際の電圧値及びオームの法則より、積層体の接触抵抗値を算出した。得られた結果を下記の表1に示す。
[Measurement of contact resistance]
The contact resistance between the gas diffusion layer for fuel cells and the separator obtained in the above Examples and Comparative Examples was measured. FIG. 13 is a diagram showing a method for measuring the contact resistance between the fuel cell gas diffusion layer and the separator obtained in Examples and Comparative Examples. As shown in FIG. 13, as the separator 60, a stainless steel plate (flat plate) having a surface plated with gold plating on the surface of the fuel cell gas diffusion layer 62 side was used. Then, the produced fuel cell gas diffusion layer 62 is sandwiched between a pair of separators 60, power is connected to both ends thereof, and held while applying a 1 MPa load from the vertical direction to the main surfaces of the separators 60 on both sides. And configured a measuring device. A constant current of 1 A was passed through both ends of this measuring apparatus, and the contact resistance value of the laminate was calculated from the voltage value and Ohm's law at that time. The obtained results are shown in Table 1 below.

表1に示すように、実施例1と比較例1とで、接触抵抗の値がほぼ同等であるため、本発明によれば、従来の燃料電池用ガス拡散層と比較して、同等の高い導電性を確保しつつ、有意にコストダウンを図ることができることを確認した。なお、本明細書における接触抵抗の測定方法や条件は、上述の方法や条件と同様であるため、以降、接触抵抗の測定に関する詳細な説明を省略する。   As shown in Table 1, since the contact resistance values of Example 1 and Comparative Example 1 are almost the same, according to the present invention, it is equivalently high compared to the conventional gas diffusion layer for fuel cells. It was confirmed that the cost could be significantly reduced while ensuring conductivity. In addition, since the measuring method and conditions of contact resistance in this specification are the same as the above-mentioned method and conditions, detailed description regarding the measurement of contact resistance is abbreviate | omitted hereafter.

また、表1に示す実施例1の接触抵抗に関する結果に対応するグラフを図14に示す。当該グラフは、PAN系炭素化繊維に対する「導電性の炭素」の比(導電性の炭素/PAN系炭素化繊維)を横軸にとった時の、接触抵抗の値を示している。すなわち、図14は、炭素化処理まで施されたPAN系炭素化繊維を多孔質材料層の材料として用い、その後、導電性炭素層を多孔質材料層の表面上に積層させた燃料電池用GDLの接触抵抗の感度を示す。図14に示すように、本発明の一実施形態におけるPAN系炭素化繊維は導電性の面では、黒鉛化処理まで施した通常のPAN系炭素繊維よりも有意に劣る。しかし、かようなPAN系炭素化繊維で構成される多孔質材料層に対し、導電性炭素層の積層量に比例して、接触抵抗は有意に低下する。言い換えれば、本発明に係るガス拡散層は、導電性の観点で、従来の多孔質材料層(PAN系炭素繊維で構成)からなるガス拡散層と同等となりうる。その上で、本発明におけるPAN系炭素化繊維は、通常のPAN系炭素繊維と異なり、黒鉛化処理を行わないため、大幅なコストダウンを図ることができる。   Moreover, the graph corresponding to the result regarding the contact resistance of Example 1 shown in Table 1 is shown in FIG. The graph shows the value of contact resistance when the horizontal axis represents the ratio of “conductive carbon” to PAN-based carbonized fiber (conductive carbon / PAN-based carbonized fiber). That is, FIG. 14 shows a GDL for a fuel cell in which a PAN-based carbonized fiber that has been subjected to carbonization treatment is used as a material for a porous material layer, and then a conductive carbon layer is laminated on the surface of the porous material layer. The sensitivity of contact resistance is shown. As shown in FIG. 14, the PAN-based carbonized fiber according to one embodiment of the present invention is significantly inferior in terms of conductivity to a normal PAN-based carbon fiber subjected to graphitization treatment. However, the contact resistance is significantly reduced in proportion to the amount of the conductive carbon layer laminated on the porous material layer composed of such PAN-based carbonized fibers. In other words, the gas diffusion layer according to the present invention can be equivalent to a gas diffusion layer made of a conventional porous material layer (made of PAN-based carbon fiber) from the viewpoint of conductivity. In addition, unlike the normal PAN-based carbon fiber, the PAN-based carbonized fiber in the present invention does not perform graphitization, and thus can greatly reduce the cost.

なお、上記炭素繊維及び「導電性の炭素」は共に、オージェ電子分光法(AES)では炭素(C)として検出される。したがって、両者を区別することはできない。そのため、導電性炭素層を成膜(積層)する前の中間層を成膜(積層)した時点で、中間層の構成元素の上には必ず導電性炭素層が成膜されるという前提で、炭素繊維及び中間層の構成金属に対してAESの面マッピングを行った。このような過程を経て、上記炭素繊維に対する「導電性の炭素」の比を算出した。   Both the carbon fiber and “conductive carbon” are detected as carbon (C) by Auger electron spectroscopy (AES). Therefore, the two cannot be distinguished. Therefore, on the premise that the conductive carbon layer is necessarily formed on the constituent elements of the intermediate layer when the intermediate layer before forming (stacking) the conductive carbon layer is formed (laminated), AES surface mapping was performed on the carbon fibers and the constituent metals of the intermediate layer. Through such a process, the ratio of “conductive carbon” to the carbon fiber was calculated.

[参考例1]
導電性炭素層上に金(Au)からなる親水化層を積層した場合の、導電性の炭素に対するAuの比(Au/導電性の炭素)、並びに接触角を求めた。
[Reference Example 1]
The ratio of Au to conductive carbon (Au / conductive carbon) and contact angle when a hydrophilic layer made of gold (Au) was stacked on the conductive carbon layer were determined.

上記実施例1で得られたガス拡散層に対して、チャンバーの真空度を3〜10Pa程度まで排気し、その後、アルゴン(Ar)ガスを1Pa程度導入した。また、燃料電池用ガス拡散層(燃料電池用GDL)自体の温度を、GDLの材質を考慮することなく、80℃とした。   The chamber was evacuated to about 3 to 10 Pa with respect to the gas diffusion layer obtained in Example 1, and then argon (Ar) gas was introduced to about 1 Pa. The temperature of the fuel cell gas diffusion layer (fuel cell GDL) itself was set to 80 ° C. without considering the GDL material.

UBMSスパッタリングの際、多孔質材料層の材質を考慮することなく、ガス拡散層に対して140Vのバイアス電圧をかけた。そして、ターゲットとして99%以上のAuを用いた。このようにして、厚さ5nmのAu層(親水化層)を導電性炭素層の表面に積層した。   During UBMS sputtering, a bias voltage of 140 V was applied to the gas diffusion layer without considering the material of the porous material layer. And 99% or more of Au was used as a target. In this way, an Au layer (hydrophilic layer) having a thickness of 5 nm was laminated on the surface of the conductive carbon layer.

Auの配置は、基材(多孔質材料層)が多孔質性であるため、オージェ電子分光法(AES)の面マッピング及び画像解析によって算出した。そして、導電性の炭素及びAuの面積比に対する水の静的接触角を測定した。ここで、接触角の測定は、JIS K6768に準拠して行った。より具体的には、24℃(室温)及び湿度(RH)49%の条件下、純水(6μL)を用いて静的な接触角を測定した。測定装置として、協和界面科学(株)製のDM700(θ/2法)を用いた。測定結果のグラフを図15に示す。なお、縦軸である接触角の単位は「度」である。   Since the base material (porous material layer) is porous, the arrangement of Au was calculated by Auger electron spectroscopy (AES) surface mapping and image analysis. And the static contact angle of water with respect to the area ratio of electroconductive carbon and Au was measured. Here, the contact angle was measured in accordance with JIS K6768. More specifically, the static contact angle was measured using pure water (6 μL) under the conditions of 24 ° C. (room temperature) and humidity (RH) 49%. As a measuring device, DM700 (θ / 2 method) manufactured by Kyowa Interface Science Co., Ltd. was used. A graph of the measurement results is shown in FIG. The unit of the contact angle on the vertical axis is “degree”.

Auの存在しない状態(ネガティブ・コントロール)では、公知で知られた炭素の接触角は85度付近を示した。これに対し、Auの配置される量に比例して親水性が増大することを確認した。   In the absence of Au (negative control), the known and known carbon contact angle was around 85 degrees. In contrast, it was confirmed that the hydrophilicity increased in proportion to the amount of Au arranged.

[参考例2]
導電性炭素層の表面にAuを分散させつつスパッタした場合の抵抗低減効果を調べた。
[Reference Example 2]
The resistance reduction effect when sputtering while dispersing Au on the surface of the conductive carbon layer was investigated.

上記実施例1で得られたガス拡散層に対して、チャンバーの真空度を3〜10Pa程度まで排気し、その後、アルゴン(Ar)ガスを5Pa程度導入した。また、燃料電池用ガス拡散層(燃料電池用GDL)自体の温度を、GDLの材質を考慮することなく、80℃とした。   The chamber was evacuated to about 3 to 10 Pa with respect to the gas diffusion layer obtained in Example 1, and then about 5 Pa of argon (Ar) gas was introduced. The temperature of the fuel cell gas diffusion layer (fuel cell GDL) itself was set to 80 ° C. without considering the GDL material.

UBMSスパッタリングの際、多孔質材料層の材質を考慮することなく、ガス拡散層に対して140Vのバイアス電圧をかけた。そして、ターゲットとして99%以上のAuを用いた。その際、Auが導電性炭素層の表面にスパッタされるのと同時並行で、当該ガス拡散層の接触抵抗を測定した。結果のグラフを図16に示す。   During UBMS sputtering, a bias voltage of 140 V was applied to the gas diffusion layer without considering the material of the porous material layer. And 99% or more of Au was used as a target. At that time, the contact resistance of the gas diffusion layer was measured in parallel with Au being sputtered on the surface of the conductive carbon layer. The resulting graph is shown in FIG.

実施例1のように、ガス拡散層において、導電性炭素層を配置することによっても十分に小さな接触抵抗を確保できる。しかし、図16に示すように、さらにAuを配置することによって、接触抵抗をさらに低減させることができることを確認した。その上、ガス拡散層における親水化層の存在によって、触媒層からセパレータ側への水の排出を迅速に行うことも可能となる。前記親水化層が金属酸化物で構成される場合、このような「親水化」が得られる。一方で、前記親水化層が非金属酸化物(Au等)で構成される場合、前記の親水化に加えて、導電性にも極めて優れるため、接触抵抗の低減効果も得られる。   As in Example 1, a sufficiently small contact resistance can be ensured by disposing a conductive carbon layer in the gas diffusion layer. However, as shown in FIG. 16, it was confirmed that contact resistance can be further reduced by further arranging Au. In addition, the presence of the hydrophilic layer in the gas diffusion layer makes it possible to quickly discharge water from the catalyst layer to the separator side. When the hydrophilic layer is made of a metal oxide, such “hydrophilization” is obtained. On the other hand, when the hydrophilic layer is composed of a non-metal oxide (Au or the like), in addition to the hydrophilic property, the conductivity is extremely excellent, so that an effect of reducing contact resistance can be obtained.

本発明の1つの実施形態に係る固体高分子型燃料電池(PEFC)1の基本構成を示す概略図である。1 is a schematic diagram showing a basic configuration of a polymer electrolyte fuel cell (PEFC) 1 according to one embodiment of the present invention. 図1のうち、ガス拡散層の部分の概略構成を示す断面図である。It is sectional drawing which shows schematic structure of the part of a gas diffusion layer among FIG. 多孔質材料層の表面を微視的に表した概略図である。It is the schematic which represented the surface of the porous material layer microscopically. PAN系炭素繊維の製造の各工程における繊維の変化を示す概略図である。It is the schematic which shows the change of the fiber in each process of manufacture of a PAN-type carbon fiber. R=1.0〜1.2の導電性炭素層を有する導電部材(導電部材A)の断面を透過型電子顕微鏡(TEM)により観察した写真(倍率:40万倍)である。It is the photograph (magnification: 400,000 times) which observed the section of the conductive member (conductive member A) which has the conductive carbon layer of R = 1.0-1.2 with the transmission electron microscope (TEM). R=1.6の導電性炭素層を有する導電部材(導電部材B)の断面をTEMにより観察した写真(倍率:40万倍)である。It is the photograph (magnification: 400,000 times) which observed the section of the conductive member (conductive member B) which has the conductive carbon layer of R = 1.6 by TEM. ラマン散乱分光分析の回転異方性測定における、平均ピークの3回対称パターンを示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the 3 times symmetrical pattern of an average peak in the rotational anisotropy measurement of a Raman scattering spectroscopy analysis. ラマン散乱分光分析の回転異方性測定における、平均ピークの2回対称パターンを示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the 2 times symmetrical pattern of an average peak in the rotational anisotropy measurement of a Raman scattering spectroscopy analysis. ラマン散乱分光分析の回転異方性測定において、平均ピークの対称性を示さないパターンを示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the pattern which does not show the symmetry of an average peak in the rotational anisotropy measurement of a Raman scattering spectroscopy analysis. 導電部材Bを測定サンプルとして用い、当該サンプルの回転角をそれぞれ0°、60°、及び180°としたときのラマンスペクトルを示すグラフである。It is a graph which shows the Raman spectrum when the electrically conductive member B is used as a measurement sample and the rotation angles of the sample are 0 °, 60 ° and 180 °, respectively. 導電部材Bについての回転異方性測定の平均ピークを示すグラフである。5 is a graph showing an average peak of rotational anisotropy measurement for conductive member B. スパッタリング法で、バイアス電圧及び成膜方式を変化させることにより導電性炭素層のビッカース硬度を異なるようにした、幾つかの導電部材における、導電性炭素層のビッカース硬度と導電性炭素層におけるsp3比の値との関係を示す図である。The Vickers hardness of the conductive carbon layer and the sp3 ratio of the conductive carbon layer in several conductive members in which the Vickers hardness of the conductive carbon layer is made different by changing the bias voltage and the film formation method in the sputtering method. It is a figure which shows the relationship with the value of. R値が1.3以上であって、水素原子の含有量が異なる導電性炭素層を有するいくつかの導電部材について、接触抵抗を測定した結果を示すグラフである。It is a graph which shows the result of having measured contact resistance about several electrically-conductive members which have an R value is 1.3 or more, and has the conductive carbon layer from which content of a hydrogen atom differs. スパッタリング法を用いた、多孔質材料層の表面上または中への中間層や導電性炭素層の成膜(積層)装置を示す概略図である。It is the schematic which shows the film-forming (lamination | stacking) apparatus of the intermediate | middle layer and conductive carbon layer on or in the surface of the porous material layer using sputtering method. 一般的なPAN系炭素繊維の製造工程及び本発明におけるPAN系炭素繊維の製造工程を示す図である。It is a figure which shows the manufacturing process of a general PAN-type carbon fiber, and the manufacturing process of the PAN-type carbon fiber in this invention. 本発明の一実施形態の燃料電池スタックを搭載した車両の概略図である。It is the schematic of the vehicle carrying the fuel cell stack of one Embodiment of this invention. 実施例及び各比較例で得られた燃料電池用GDLとセパレータとの接触抵抗の測定方法を示す図である。It is a figure which shows the measuring method of the contact resistance of GDL for fuel cells obtained by the Example and each comparative example, and a separator. 表1に示す実施例1の接触抵抗に関する結果に対応するグラフである。It is a graph corresponding to the result regarding the contact resistance of Example 1 shown in Table 1. AESの面マッピング及び画像解析によって算出した、導電性の炭素及びAuの面積比に対する水の静的接触角の測定結果を示すグラフである。It is a graph which shows the measurement result of the static contact angle of water with respect to the area ratio of electroconductive carbon and Au computed by the surface mapping and image analysis of AES. 導電性炭素層の表面にAuを分散させつつスパッタした場合の抵抗低減効果を示すグラフである。It is a graph which shows the resistance reduction effect at the time of carrying out sputtering, disperse | distributing Au on the surface of a conductive carbon layer.

符号の説明Explanation of symbols

1 固体高分子型燃料電池(PEFC)、
2 固体高分子電解質膜、
3a アノード触媒層、
3c カソード触媒層、
4a アノードガス拡散層、
4c カソードガス拡散層、
5a アノードセパレータ、
5c カソードセパレータ、
6a アノードガス流路、
6c カソードガス流路、
7 冷媒流路、
10 膜電極接合体(MEA)、
51、62 ガス拡散層、
52、72 多孔質材料層、
53 カーボンファイバー(CF)、
54 導電性炭素層、
56 中間層、
58 親水化層、
60 セパレータ、
61 燃料電池車、
62 燃料電池スタック、
64 チャンバー、
66 ガス排気口、
68 雰囲気ガス導入口、
70 ターゲット。
1 polymer electrolyte fuel cell (PEFC),
2 solid polymer electrolyte membrane,
3a anode catalyst layer,
3c cathode catalyst layer,
4a Anode gas diffusion layer,
4c cathode gas diffusion layer,
5a anode separator,
5c cathode separator,
6a Anode gas flow path,
6c cathode gas flow path,
7 Refrigerant flow path,
10 Membrane electrode assembly (MEA),
51, 62 Gas diffusion layer,
52, 72 porous material layer,
53 Carbon fiber (CF),
54 conductive carbon layer,
56 middle class,
58 hydrophilic layer,
60 separator,
61 Fuel cell vehicle,
62 Fuel cell stack,
64 chambers,
66 Gas exhaust port,
68 Atmospheric gas inlet,
70 Target.

Claims (12)

多孔質材料層と、
前記多孔質材料層の表面上または中に存在する導電性炭素層または導電性炭素粒子を含む、燃料電池用ガス拡散層であって、
前記導電性炭素層または導電性炭素粒子において、ラマン散乱分光分析より測定されたD−バンドピーク強度IDとG−バンドピーク強度IGの強度比R(ID/IG)が1.3以上であり、且つ前記導電性炭素層のラマン散乱分光分析による回転異方性測定により測定された平均ピークが、2回対称パターンを示す、燃料電池用ガス拡散層。
A porous material layer;
A gas diffusion layer for a fuel cell comprising a conductive carbon layer or conductive carbon particles present on or in the surface of the porous material layer,
In the conductive carbon layer or the conductive carbon particles, the intensity ratio R (I D / I G ) of D -band peak intensity I D and G-band peak intensity I G measured by Raman scattering spectroscopy is 1.3. A gas diffusion layer for a fuel cell, wherein the average peak measured by rotational anisotropy measurement by Raman scattering spectroscopic analysis of the conductive carbon layer shows a two-fold symmetry pattern.
前記導電性炭素層は、前記多孔質材料層の表面上に存在し、
前記導電性炭素層と多孔質材料層との間に、金属で構成される中間層をさらに有する、請求項1に記載の燃料電池用ガス拡散層。
The conductive carbon layer is present on the surface of the porous material layer;
Between the conductive carbon layer and the porous material layer, further comprising an intermediate layer composed of a metal, a fuel cell gas diffusion layer according to Motomeko 1.
前記導電性炭素層は、前記多孔質材料層の表面上に存在し、
前記導電性炭素層上に金属、金属窒化物、金属炭化物及び金属酸化物よりなる群から選択される1種以上で構成される親水化層をさらに有する、請求項1または2に記載の燃料電池用ガス拡散層。
The conductive carbon layer is present on the surface of the porous material layer;
3. The fuel cell according to claim 1, further comprising a hydrophilic layer formed of at least one selected from the group consisting of metal, metal nitride, metal carbide, and metal oxide on the conductive carbon layer. Gas diffusion layer.
前記多孔質材料層は、炭素繊維、金属繊維及び有機繊維よりなる群から選択される1種以上を含む、請求項1〜3のいずれか1項に記載の燃料電池用ガス拡散層。   The gas diffusion layer for a fuel cell according to any one of claims 1 to 3, wherein the porous material layer includes one or more selected from the group consisting of carbon fiber, metal fiber, and organic fiber. 前記炭素繊維は、ポリアクリロニトリル(PAN)系もしくはピッチ系炭素繊維であって、黒鉛化された繊維を含まない炭素化された繊維である、請求項4に記載の燃料電池用ガス拡散層。   The gas diffusion layer for a fuel cell according to claim 4, wherein the carbon fibers are polyacrylonitrile (PAN) -based or pitch-based carbon fibers and are carbonized fibers that do not include graphitized fibers. 前記多孔質材料層は金属繊維を含み、前記多孔質材料層の表面の50%以上を前記導電性炭素層または導電性炭素粒子が被覆する、請求項4に記載の燃料電池用ガス拡散層。   The gas diffusion layer for a fuel cell according to claim 4, wherein the porous material layer includes metal fibers, and the conductive carbon layer or the conductive carbon particles cover 50% or more of the surface of the porous material layer. 前記金属は、貴金属または金属セパレータ基材を構成する金属元素、及びセパレータの表面処理に含まれる金属元素よりなる群から選択される1種以上を有する、請求項3〜6のいずれか1項に記載の燃料電池用ガス拡散層。   The said metal has 1 or more types selected from the group which consists of a metal element which comprises a noble metal or a metal separator base material, and the surface treatment of a separator, In any one of Claims 3-6 The gas diffusion layer for fuel cells as described. 多孔質材料層の表面上または中に導電性炭素層または導電性炭素粒子を形成する工程を含む、請求項1〜7のいずれか1項に記載の燃料電池用ガス拡散層の製造方法であって、
前記導電性炭素層または導電性炭素粒子を形成する工程(イ)は、導電性の炭素をターゲットとするスパッタ法によって行う、燃料電池用ガス拡散層の製造方法。
The method for producing a gas diffusion layer for a fuel cell according to any one of claims 1 to 7, comprising a step of forming a conductive carbon layer or conductive carbon particles on or in the surface of the porous material layer. And
The step (a) of forming the conductive carbon layer or the conductive carbon particles is performed by a sputtering method using conductive carbon as a target, and is a method for manufacturing a gas diffusion layer for a fuel cell.
前記工程(イ)の以後に、金属、金属窒化物、金属炭化物及び金属酸化物よりなる群から選択される1種以上をターゲットとするスパッタ法によって、または、
前記工程(イ)の後に、金属のメッキ処理によって、
親水化層を形成する工程(ロ)を行う、請求項8に記載の燃料電池用ガス拡散層の製造方法。
After the step (a), by sputtering using one or more selected from the group consisting of metal, metal nitride, metal carbide and metal oxide, or
After the step (a), by metal plating,
The manufacturing method of the gas diffusion layer for fuel cells of Claim 8 which performs the process (b) of forming a hydrophilization layer.
前記メッキ処理の際に用いられる金属は、貴金属または金属セパレータ基材を構成する金属元素である、請求項9に記載の燃料電池用ガス拡散層の製造方法。   The method for producing a gas diffusion layer for a fuel cell according to claim 9, wherein the metal used in the plating process is a noble metal or a metal element constituting a metal separator substrate. 前記多孔質材料層はポリアクリロニトリル(PAN)系もしくはピッチ系炭素繊維を含み、前記PAN系もしくはピッチ系炭素繊維を製造する際、黒鉛化処理まで行わずに炭素化処理で終了する、請求項8〜10のいずれか1項に記載の燃料電池用ガス拡散層の製造方法。   The porous material layer includes polyacrylonitrile (PAN) -based or pitch-based carbon fibers, and when the PAN-based or pitch-based carbon fibers are manufactured, the carbonization processing is finished without performing graphitization processing. The manufacturing method of the gas diffusion layer for fuel cells of any one of 10-10. 求項1〜7のいずれか1項に記載のガス拡散層または請求項8〜11のいずれか1項に記載の製造方法により得られたガス拡散層を備えてなる、固体高分子型燃料電池。 Consisting comprises a gas diffusion layer obtained by the method according to any one of the gas diffusion layer or claim 8-11 according to any one of Motomeko 1-7, a polymer electrolyte fuel battery.
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