JP5481820B2 - Microporous layer and gas diffusion layer having the same - Google Patents

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Description

本発明は、マイクロポーラス層およびこれを有するガス拡散層に関する。より詳しくは、本発明は、排水性に優れるマイクロポーラス層およびこれを有するガス拡散層に関する。   The present invention relates to a microporous layer and a gas diffusion layer having the microporous layer. More specifically, the present invention relates to a microporous layer excellent in drainage and a gas diffusion layer having the microporous layer.

近年、エネルギー・環境問題を背景とした社会的要求や動向と呼応して、常温でも作動し高出力密度が得られる燃料電池が電気自動車用電源、定置型電源として注目されている。燃料電池は、電極反応による生成物が原理的に水であり、地球環境への悪影響がほとんどないクリーンな発電システムである。燃料電池には、固体高分子形燃料電池(PEFC)、リン酸型燃料電池(PAFC)、アルカリ型燃料電池(AFC)、固体酸化物型燃料電池(SOFC)、溶融炭酸塩型燃料電池(MCFC)などがある。なかでも、固体高分子形燃料電池は、比較的低温で作動して高出力密度が得られることから、電気自動車用電源として期待されている。   In recent years, in response to social demands and trends against the background of energy and environmental problems, fuel cells that can operate at room temperature and obtain high output density have attracted attention as power sources for electric vehicles and stationary power sources. A fuel cell is a clean power generation system in which the product of an electrode reaction is water in principle and has almost no adverse effect on the global environment. Fuel cells include polymer electrolyte fuel cells (PEFC), phosphoric acid fuel cells (PAFC), alkaline fuel cells (AFC), solid oxide fuel cells (SOFC), and molten carbonate fuel cells (MCFC). )and so on. Among them, the polymer electrolyte fuel cell is expected as a power source for electric vehicles because it operates at a relatively low temperature and obtains a high output density.

固体高分子形燃料電池の構成は、一般的には、電解質膜−電極接合体(膜電極接合体)をセパレータで挟持した構造となっている。膜電極接合体は、固体高分子電解質膜の両側に二つの電極が配設され、さらにこれをガス拡散層で挟持した構造となっている。電極は、電極触媒と固体高分子電解質との混合物により形成された多孔性のものであり、電極触媒層とも呼ばれる。   In general, the polymer electrolyte fuel cell has a structure in which an electrolyte membrane-electrode assembly (membrane electrode assembly) is sandwiched between separators. The membrane electrode assembly has a structure in which two electrodes are disposed on both sides of a solid polymer electrolyte membrane, and this is sandwiched between gas diffusion layers. The electrode is a porous material formed of a mixture of an electrode catalyst and a solid polymer electrolyte, and is also called an electrode catalyst layer.

固体高分子形燃料電池では、以下のような電気化学的反応などを通して、電気を外部に取り出すことが可能となる。まず、アノード(燃料極)側に供給された燃料ガスに含まれる水素が、触媒粒子により酸化され、プロトンおよび電子となる。次に、生成したプロトンは、アノード側電極触媒層に含まれる固体高分子電解質、さらにアノード側電極触媒層と接触している固体高分子電解質膜を通り、カソード(酸素極)側電極触媒層に達する。また、アノード側電極触媒層で生成した電子は、アノード側電極触媒層を構成している導電性担体、さらにアノード側電極触媒層の固体高分子電解質膜と異なる側に接触しているガス拡散層、セパレータおよび外部回路を通してカソード側電極触媒層に達する。そして、カソード側電極触媒層に達したプロトンおよび電子はカソード側に供給されている酸化剤ガスに含まれる酸素と反応し水を生成する。かような電気化学的反応は、主に、触媒粒子と、固体高分子電解質と、燃料ガスまたは酸化剤ガスなどの反応ガスと、が接触する三相界面において進行するのである。従って、ガス拡散層は、供給された反応ガスを電極触媒層へと均一に供給することが必要とされる。   In the polymer electrolyte fuel cell, electricity can be taken out through the following electrochemical reaction. First, hydrogen contained in the fuel gas supplied to the anode (fuel electrode) side is oxidized by the catalyst particles to become protons and electrons. Next, the generated protons pass through the solid polymer electrolyte contained in the anode-side electrode catalyst layer and the solid polymer electrolyte membrane in contact with the anode-side electrode catalyst layer, and enter the cathode (oxygen electrode) -side electrode catalyst layer. Reach. The electrons generated in the anode-side electrode catalyst layer include a conductive carrier constituting the anode-side electrode catalyst layer, and a gas diffusion layer in contact with a different side of the anode-side electrode catalyst layer from the solid polymer electrolyte membrane The cathode side electrode catalyst layer is reached through the separator and the external circuit. The protons and electrons that have reached the cathode-side electrode catalyst layer react with oxygen contained in the oxidant gas supplied to the cathode side to generate water. Such an electrochemical reaction mainly proceeds at a three-phase interface where catalyst particles, a solid polymer electrolyte, and a reaction gas such as a fuel gas or an oxidant gas are in contact with each other. Therefore, the gas diffusion layer is required to uniformly supply the supplied reaction gas to the electrode catalyst layer.

また、燃料電池における固体高分子電解質膜は、湿潤していないと高いプロトン導電性を示さない。そのため、固体高分子形燃料電池に供給する反応ガスは、ガス加湿装置などを用いて加湿することにより、固体高分子電解質膜の湿度分布を均一にする必要がある。   In addition, a solid polymer electrolyte membrane in a fuel cell does not exhibit high proton conductivity unless it is wet. Therefore, it is necessary to make the humidity distribution of the solid polymer electrolyte membrane uniform by humidifying the reaction gas supplied to the solid polymer fuel cell using a gas humidifier or the like.

高加湿、高電流密度などの運転条件下では、アノードからカソードに向けて固体高分子電解質膜を移動するプロトンに伴って移動する水の量、およびカソード側電極触媒層内に生成して凝集する生成水の量が増加する。この時、これらの生成水は、特にカソード側電極触媒層内に滞留し、反応ガス供給路となっていた細孔を閉塞するフラッディングを招く。これにより、反応ガスの拡散などが阻害され、電気化学的反応が妨げられ、結果として電池性能の低下を招く。   Under operating conditions such as high humidification and high current density, the amount of water that moves with protons that move through the polymer electrolyte membrane from the anode to the cathode, and agglomerates in the cathode-side electrode catalyst layer The amount of product water increases. At this time, the generated water stays in the cathode-side electrode catalyst layer and causes flooding that closes the pores that have become the reaction gas supply path. As a result, the diffusion of the reaction gas is inhibited, the electrochemical reaction is hindered, and as a result, the battery performance is lowered.

そこで、従来では、炭素繊維布帛表面にカーボンブラックおよび疎水剤などからなるカーボン層を撥水層として設けたガス拡散層が膜電極接合体に用いられている(例えば、特許文献1参照)。前記ガス拡散層は、疎水剤にコーティングされたカーボンブラックが集合体となり多孔質構造を形成する。したがって、加湿して供給された反応ガスをより均一に拡散させることができるだけでなく、過剰な水を毛細管力により吸い取り速やかに排出することが可能となる。ゆえに、このようなガス拡散層によって触媒層およびカーボン層に水が溜まることがなくフラッディングを防止する。
特開2003−89968号公報
Therefore, conventionally, a gas diffusion layer in which a carbon layer made of carbon black and a hydrophobic agent is provided as a water-repellent layer on the surface of a carbon fiber fabric is used for a membrane electrode assembly (for example, see Patent Document 1). In the gas diffusion layer, carbon black coated with a hydrophobic agent is aggregated to form a porous structure. Therefore, not only can the reaction gas supplied by humidification be diffused more uniformly, but also excess water can be absorbed by the capillary force and quickly discharged. Therefore, flooding is prevented by such a gas diffusion layer without water accumulating in the catalyst layer and the carbon layer.
JP 2003-89968 A

しかしながら、特許文献1に記載のガス拡散層を有する燃料電池では、高電密域での排水性が不十分であるという問題があった。   However, the fuel cell having the gas diffusion layer described in Patent Document 1 has a problem in that the drainage performance in the high electric density region is insufficient.

しがって、本発明は、上記事情を鑑みてなされたものであり、高電密域(高電流密度域)でのフラッディングを防止し電圧を高めることができるガス拡散層を提供することを目的とする。   Therefore, the present invention has been made in view of the above circumstances, and provides a gas diffusion layer that can prevent flooding in a high electrical density region (high current density region) and increase a voltage. Objective.

本発明者らは、上記の問題を解決すべく、鋭意研究を行った結果、空孔分布中心を特定の範囲になるように調節したマイクロポーラス層をガス拡散層に使用することによって、高電流密度域でのフラッディングを防止することができることを知得した。上記知見に基づいて、本発明を完成した。   As a result of intensive studies to solve the above problems, the present inventors have used a microporous layer in which the center of pore distribution is adjusted to a specific range for a gas diffusion layer. It was found that flooding in the density range can be prevented. Based on the above findings, the present invention has been completed.

本発明によれば、マイクロポーラス層内の水が通るべき空孔及びガスが通るべき空孔を大きくすることにより、電流密度域での生成水排出性を向上すると共に、ガス供給量を増加させることができる。このため、本発明のマイクロポーラス層を用いた燃料電池は、高電流密度域でのフラッディングを防止し電圧を高めることができる。   According to the present invention, by increasing the pores through which water passes and the pores through which gas passes in the microporous layer, the generated water discharge performance in the current density region is improved and the gas supply amount is increased. be able to. For this reason, the fuel cell using the microporous layer of the present invention can prevent flooding in a high current density region and increase the voltage.

以下、本発明の実施の形態を説明する。   Embodiments of the present invention will be described below.

本発明は、少なくとも2種類の空孔分布中心を持ち、第1の空孔分布中心が5〜15μmの空孔径範囲に存在し、第2の空孔分布中心が0.2〜0.5μmの空孔径範囲に存在する、マイクロポーラス層を提供するものである。また、本発明は、ガス拡散基材層、および前記ガス拡散基材層上に形成された本発明のマイクロポーラス層を有する、ガス拡散層を提供するものである。   The present invention has at least two types of hole distribution centers, the first hole distribution center exists in a hole diameter range of 5 to 15 μm, and the second hole distribution center is 0.2 to 0.5 μm. The present invention provides a microporous layer that exists in the pore diameter range. Moreover, this invention provides the gas diffusion layer which has a gas diffusion base material layer and the microporous layer of this invention formed on the said gas diffusion base material layer.

従来技術のマイクロポーラス層は、全体的に空孔分布中心径が小さいものが多かった。例えば、電気自動車用電源として期待されている固体高分子形燃料電池(PEFC)では、電解質膜を挟持する両電極(カソード及びアノード)において、以下に記す電気化学的反応を通して、電気を外部に取り出して、電気エネルギーを得ている。まず、アノード(水素極)側に供給された燃料ガスに含まれる水素は、触媒成分により酸化され、プロトンおよび電子となる(2H→4H+4e:反応1)。次に、生成したプロトンは、電極触媒層に含まれる固体高分子電解質、さらに電極触媒層と接触している電解質膜を通り、カソード(酸素極)側電極触媒層に達する。また、アノード側電極触媒層で生成した電子は、電極触媒層を構成している導電性担体、さらに電極触媒層の電解質膜と異なる側に接触しているガス拡散層、セパレータおよび外部回路を通してカソード側電極触媒層に達する。そして、カソード側電極触媒層に達したプロトンおよび電子はカソード側に供給されている酸化剤ガスに含まれる酸素と反応し水を生成する(O+4H+4e→2HO:反応2)。ここで、上記反応により生成した水は、特にカソード側電極触媒層内に滞留し、反応ガス供給路となっていた細孔を閉塞するフラッディング現象を招く。これにより、反応ガスの拡散などが阻害され、電気化学的反応が妨げられ、結果として電池性能の低下を招く。このため、生成水は、効率よく電池外部に排出する必要がある。例えば、撥水性を高めてフラッディング現象を防げるようにガス拡散層に撥水処理を施す方法やガス拡散基材層上に炭素粒子集合体からなる層を形成する方法がある。このようなガス拡散層では、一般に、生成水は、撥水処理のため表面には触れないため、大径の空孔を通る。一方、小径の空孔には、撥水処理のため生成水が入らず、ガスの通り道が確保されている。しかしながら、例えば、1A/cm以上の高電流密度域では多量の生成水が発生するため、小径の空孔にも水が詰まり、小径でのガス拡散能力不足などが原因でフラッディング現象が起こり、電圧が降下するという問題があった。 Many microporous layers of the prior art have a small hole distribution center diameter as a whole. For example, in a polymer electrolyte fuel cell (PEFC) expected as a power source for an electric vehicle, electricity is taken out through the electrochemical reaction described below at both electrodes (cathode and anode) sandwiching the electrolyte membrane. To get electrical energy. First, hydrogen contained in the fuel gas supplied to the anode (hydrogen electrode) side is oxidized by the catalyst component to become protons and electrons (2H 2 → 4H + + 4e : reaction 1). Next, the generated protons pass through the solid polymer electrolyte contained in the electrode catalyst layer and the electrolyte membrane in contact with the electrode catalyst layer, and reach the cathode (oxygen electrode) side electrode catalyst layer. Electrons generated in the anode-side electrode catalyst layer pass through the cathode through the conductive carrier constituting the electrode catalyst layer, the gas diffusion layer in contact with the electrode catalyst layer on the side different from the electrolyte membrane, the separator, and an external circuit. Reach the side electrode catalyst layer. The protons and electrons that have reached the cathode-side electrode catalyst layer react with oxygen contained in the oxidant gas supplied to the cathode side to generate water (O 2 + 4H + + 4e → 2H 2 O: Reaction 2). . Here, the water generated by the above reaction particularly stays in the cathode-side electrode catalyst layer and causes a flooding phenomenon that closes the pores that have become the reaction gas supply path. As a result, the diffusion of the reaction gas is inhibited, the electrochemical reaction is hindered, and as a result, the battery performance is lowered. For this reason, generated water needs to be efficiently discharged outside the battery. For example, there are a method of subjecting the gas diffusion layer to water repellency so as to prevent flooding by increasing water repellency, and a method of forming a layer of carbon particle aggregates on the gas diffusion base material layer. In such a gas diffusion layer, the generated water generally does not touch the surface due to the water repellent treatment, and therefore passes through the large-diameter holes. On the other hand, in the small-diameter holes, the generated water does not enter due to the water repellent treatment, and a gas passage is secured. However, for example, since a large amount of generated water is generated in a high current density region of 1 A / cm 2 or more, water is clogged even in a small-diameter hole, and a flooding phenomenon occurs due to insufficient gas diffusion capacity in a small diameter, There was a problem that the voltage dropped.

これに対して、本発明では、空孔径が5〜15μm及び0.2〜0.5μmの範囲に少なくとも空孔分布中心を有するマイクロポーラス層をガス拡散基材層に配置したものをガス拡散層として使用することを特徴とする。ここで、空孔径が5〜15μmに空孔分布中心を有する空孔(本明細書では、「大径側の空孔」とも称する)とすることにより、高電流密度域で発生する多量の生成水であっても、当該生成水が通るための十分な大きさを確保できる。ゆえに、マイクロポーラス層が大径側の空孔を有することにより、高電流密度域であっても生成水を効率よく排出することができる。一方、空孔径が0.2〜0.5μmに空孔分布中心を有する空孔(本明細書では、「小径側の空孔」とも称する)とすることにより、多量の水の存在下であっても、十分量のガスを通過させる大きさを確保できる。ゆえに、マイクロポーラス層が小径側の空孔を有することにより、高電流密度域での、各電極触媒層へのガスの供給量を従来よりも増加することができる。したがって、本発明のマイクロポーラス層を有するガス拡散層を用いてなる燃料電池は、高電流密度域でのフラッディング現象を防止し電圧を高め、十分量のガスを供給して、高い発電性能を発揮することができる。   On the other hand, in the present invention, a gas diffusion layer is obtained by disposing a microporous layer having at least a hole distribution center in the range of pore diameters of 5 to 15 μm and 0.2 to 0.5 μm on the gas diffusion base material layer. It is used as a feature. Here, by forming a hole having a hole distribution center at a hole diameter of 5 to 15 μm (also referred to as a “large-diameter side hole” in this specification), a large amount of generated in a high current density region. Even if it is water, sufficient size for the said generated water to pass through can be ensured. Therefore, since the microporous layer has pores on the large diameter side, generated water can be efficiently discharged even in a high current density region. On the other hand, a hole having a hole distribution center in the hole diameter range of 0.2 to 0.5 μm (also referred to as “hole on the small diameter side” in the present specification) can be used in the presence of a large amount of water. However, it is possible to secure a size that allows a sufficient amount of gas to pass therethrough. Therefore, since the microporous layer has pores on the small diameter side, the amount of gas supplied to each electrode catalyst layer in the high current density region can be increased as compared with the conventional case. Accordingly, the fuel cell using the gas diffusion layer having the microporous layer of the present invention prevents flooding phenomenon in a high current density region, increases the voltage, supplies a sufficient amount of gas, and exhibits high power generation performance. can do.

本発明のマイクロポーラス層は、5〜15μmの空孔径範囲に存在する第1の空孔分布中心、および0.2〜0.5μmの空孔径範囲に存在する第2の空孔分布中心を少なくとも有する。上記空孔のうち、空孔径が5〜15μmの大径側の空孔は、主に水を排出する。また、空孔径が0.2〜0.5μmの小径側の空孔は、主にガスを供給する。すなわち、ガス拡散層内では、水は、毛細管現象によって空孔内に浸入する。このときの毛細管に水が引き込まれる力(引力)は、空孔径に反比例する。即ち、空孔径の小さい方が水は空孔内に浸入しやすい。本発明では、大径側の空孔がガス拡散層中に存在するため、カソード電極で生成した水は、大径側の空孔内にはとどまらずに、効率よく排出する。また、小径側の空孔に水はたまるものの、大径側の空孔から優先的に水が排出され、また、小径側の空孔も十分な大きさを有するため、小径側の空孔にも水はあまりとどまらず、十分なガス供給を確保することができる。特に、高電流密度域では多量の生成水が発生するが、このような場合であっても、大径側及び小径側の空孔共に十分大きさを有するため、空孔を水で塞ぐことなく、十分なガス供給を確保しつつ多量の水を効率よく排出することができる。ゆえに、マイクロポーラス層が大径側の空孔を通じて、高電流密度域であっても生成水を効率よく排出することができる。また、小径側の空孔を通じて、十分量のガスを各電極触媒層に供給することができる。また、大径側の空孔に加えて、小径側の空孔が存在することで、ガス拡散層の強度もまた適宜確保できる。したがって、本発明のマイクロポーラス層を有するガス拡散層を用いた燃料電池は、高電流密度域でのフラッディング現象を防止し電圧を高め、高い発電性能を発揮することができる。   The microporous layer of the present invention has at least a first pore distribution center existing in a pore diameter range of 5 to 15 μm and a second pore distribution center present in a pore diameter range of 0.2 to 0.5 μm. Have. Among the above holes, holes on the large diameter side having a hole diameter of 5 to 15 μm mainly discharge water. The small-diameter holes having a hole diameter of 0.2 to 0.5 μm mainly supply gas. That is, in the gas diffusion layer, water penetrates into the pores by capillary action. The force (attraction force) at which water is drawn into the capillary at this time is inversely proportional to the hole diameter. That is, the smaller the hole diameter, the easier the water will enter the hole. In the present invention, since the pores on the large diameter side exist in the gas diffusion layer, the water generated by the cathode electrode is efficiently discharged without remaining in the pores on the large diameter side. Although water accumulates in the small-diameter holes, water is preferentially discharged from the large-diameter holes, and the small-diameter holes are sufficiently large. However, water does not stay so much and a sufficient gas supply can be secured. In particular, a large amount of generated water is generated in a high current density region, but even in such a case, both the large-diameter side and small-diameter side pores are sufficiently large so that the pores are not blocked with water A large amount of water can be efficiently discharged while securing a sufficient gas supply. Therefore, the generated water can be efficiently discharged through the pores on the large diameter side even if the microporous layer is in a high current density region. Further, a sufficient amount of gas can be supplied to each electrode catalyst layer through the small-diameter holes. Further, since the small-diameter side holes exist in addition to the large-diameter side holes, the strength of the gas diffusion layer can be appropriately ensured. Therefore, the fuel cell using the gas diffusion layer having the microporous layer of the present invention can prevent the flooding phenomenon in the high current density region, increase the voltage, and exhibit high power generation performance.

ここで、空孔分布および空孔分布中心は、水銀圧入法により測定される。ここで、水銀圧入法とは、大抵の物質と反応せず、濡れもない水銀を、圧力を加えて固体の空孔中へ圧入し、その時に加えた圧力と押し込まれた(侵入した)水銀容積の関係から試料表面の空孔の大きさとその体積を測定する手法である。サンプルおよび水銀を充填したセルを高圧容器内で連続的に加圧していくと、水銀は大きな空孔から小さな空孔へと順に圧入されていく。どれくらいの圧力をかけたときに、どれくらいの大きさの孔に水銀が入っていくかは、理論的に、Washburnの式(D=−4σcosθ/P)から計算できる。ここで、Pは加える圧力(mPa)、Dは空孔直径(m)、σは水銀の表面張力(mN/m)、θは水銀と空孔壁面との接触角(deg.)である。σおよびθを定数として取り扱うことで、Washburnの式から加えた圧力Pと空孔径Dの関係が求められ、その時の侵入容積を測定することにより、空孔径とその容積分布が導かれる。なお、本明細書では、水銀の表面張力σを485dyn/cm、水銀と空孔壁面の接触角を130°として空孔直径を算出している。また、空孔の平均空孔径は、Quantachrome社製 PoreMaster装置などを用いた水銀圧入法により測定することができる。マイクロポーラス層の空隙率も同様の装置などにより測定することができる。   Here, the hole distribution and the hole distribution center are measured by a mercury intrusion method. Here, the mercury intrusion method is a method in which mercury that does not react with most substances and does not wet is pressed into solid vacancies under pressure, and the pressure applied at that time is pushed (intruded) mercury. This is a technique for measuring the size and volume of vacancies on the sample surface from the relationship of volume. When a cell filled with a sample and mercury is continuously pressurized in a high-pressure vessel, mercury is sequentially injected from a large hole to a small hole. It can theoretically be calculated from the Washburn equation (D = −4σcos θ / P) how much pressure the mercury enters into the pores. Here, P is the applied pressure (mPa), D is the pore diameter (m), σ is the surface tension of mercury (mN / m), and θ is the contact angle (deg.) Between mercury and the pore wall surface. By treating σ and θ as constants, the relationship between the pressure P applied from the Washburn equation and the hole diameter D is obtained, and the hole diameter and its volume distribution are derived by measuring the intrusion volume at that time. In this specification, the hole diameter is calculated assuming that the surface tension σ of mercury is 485 dyn / cm and the contact angle between mercury and the hole wall surface is 130 °. In addition, the average pore diameter of the pores can be measured by a mercury intrusion method using a pore master device manufactured by Quantachrome. The porosity of the microporous layer can also be measured with a similar device.

上述したように、本発明のマイクロポーラス層は、ガス拡散層、好ましくは燃料電池用のガス拡散層、特に固体高分子形燃料電池(PEFC)用のガス拡散層に好適に使用される。ここで、ガス拡散層は、カソード側ガス拡散層及びアノード側ガス拡散層の少なくとも一方に使用されればよい。しかし、上述したように、カソード側で特に水が生成するため、本発明のガス拡散層は、カソード側ガス拡散層で少なくとも使用されることが好ましい。   As described above, the microporous layer of the present invention is suitably used for a gas diffusion layer, preferably a gas diffusion layer for a fuel cell, particularly a gas diffusion layer for a polymer electrolyte fuel cell (PEFC). Here, the gas diffusion layer may be used for at least one of the cathode side gas diffusion layer and the anode side gas diffusion layer. However, as described above, since water is generated particularly on the cathode side, the gas diffusion layer of the present invention is preferably used at least in the cathode side gas diffusion layer.

また、本発明のマイクロポーラス層内の空孔は、適宜撥水性を有することが好ましい。撥水性を有することにより、電極で生成した水をより良好に排出することができ、その結果、電池性能の低下を抑制・防止できる。ここで、マイクロポーラス層表面や空孔内の撥水性(疎水性)は、これらと水との接触角により判断できる。すなわち、マイクロポーラス層表面や空孔表面と水との接触角が大きいほど、撥水性に優れた空孔を有する。具体的には、マイクロポーラス層表面や空孔表面と水との接触角が、好ましくは90°以上、より好ましくは120°以上である。このような場合には、層表面や空孔内に水がとどまりにくいので、水の排出能をより向上することができる。   The pores in the microporous layer of the present invention preferably have water repellency as appropriate. By having water repellency, water generated by the electrode can be discharged more favorably, and as a result, deterioration in battery performance can be suppressed / prevented. Here, the water repellency (hydrophobicity) in the surface of the microporous layer or in the pores can be determined by the contact angle between these and water. That is, the larger the contact angle between the microporous layer surface or the surface of the pores and water, the more excellent the water repellency. Specifically, the contact angle between the microporous layer surface or the pore surface and water is preferably 90 ° or more, more preferably 120 ° or more. In such a case, water hardly stays on the surface of the layer or in the pores, so that the water discharging ability can be further improved.

マイクロポーラス層の厚さは、得られるガス拡散層の特性を考慮して適宜決定すればよいが、好ましくは10〜100μm、より好ましくは25〜70μm程度とすればよい。厚さが上記範囲であれば、機械的強度ならびにガスや水の透過性などを十分確保することができる。   The thickness of the microporous layer may be appropriately determined in consideration of the characteristics of the obtained gas diffusion layer, but is preferably 10 to 100 μm, more preferably about 25 to 70 μm. When the thickness is in the above range, sufficient mechanical strength and gas and water permeability can be secured.

また、本発明のガス拡散層は、ガス拡散基材層、および前記ガス拡散基材層上に形成された本発明のマイクロポーラス層を有する。すなわち、図1に示されるように、本発明のガス拡散層1は、本発明のマイクロポーラス層2がガス拡散基材層3上に形成される構造を有する。   The gas diffusion layer of the present invention has a gas diffusion base material layer and the microporous layer of the present invention formed on the gas diffusion base material layer. That is, as shown in FIG. 1, the gas diffusion layer 1 of the present invention has a structure in which the microporous layer 2 of the present invention is formed on the gas diffusion base material layer 3.

本発明のガス拡散層におけるガス拡散基材層としては、特に制限されないが、炭素製の織物、紙状抄紙体、フェルト、不織布といった導電性及び多孔質性を有するシート状材料などからなるものが挙げられる。多孔質性を有するシート状材料を用いることにより、外部から供給されたガスをガス拡散基材層内で均一に拡散させることができる。より具体的には、カーボンペーパ、カーボンクロス、カーボン不織布などが好ましく挙げられる。前記シート状材料は、市販品を用いることもでき、例えば、東レ株式会社製カーボンペーパTGPシリーズ、E−TEK社製カーボンクロスなどが挙げられる。   The gas diffusion base material layer in the gas diffusion layer of the present invention is not particularly limited, but is made of a sheet-like material having conductivity and porosity, such as carbon woven fabric, paper-like paper body, felt, and nonwoven fabric. Can be mentioned. By using the porous sheet-like material, the gas supplied from the outside can be uniformly diffused in the gas diffusion base material layer. More specifically, carbon paper, carbon cloth, carbon nonwoven fabric and the like are preferable. A commercial item can also be used for the said sheet-like material, for example, carbon paper TGP series by Toray Industries, Inc., carbon cloth by E-TEK, etc. are mentioned.

ガス拡散基材層の厚さは、得られるガス拡散層の特性を考慮して適宜決定すればよいが、30〜500μm程度とすればよい。厚さが上記範囲であれば、機械的強度ならびにガスや水の透過性などを十分確保することができる。   The thickness of the gas diffusion base material layer may be appropriately determined in consideration of the characteristics of the obtained gas diffusion layer, but may be about 30 to 500 μm. When the thickness is in the above range, sufficient mechanical strength and gas and water permeability can be secured.

ガス拡散基材層は、排水性をより高めてフラッディング現象などを防ぐために、撥水剤が含まれていてもよい。ここで、前記撥水剤としては、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。上記撥水剤は、単独で使用されてもあるいは2種以上の混合物の形態で使用されてもよい。   The gas diffusion base material layer may contain a water repellent in order to further improve drainage and prevent flooding. Here, the water repellent is not particularly limited, but polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylidene fluoride (PVDF), polyhexafluoropropylene, tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer (FEP), and the like. Fluorine polymer materials, polypropylene, polyethylene and the like can be mentioned. The water repellent may be used alone or in the form of a mixture of two or more.

また、ガス拡散基材層は、マイクロポーラス層を形成する前に、予め洗浄することが好ましい。この場合の洗浄方法としては、特に制限されないが、溶媒中に浸漬して、これを超音波洗浄装置に投入することにより、洗浄処理を行なう方法が好ましく使用できる。ここで、洗浄用の溶媒としては、特に制限されないが、水、メタノール、エタノール、プロパノール、イソプロパノール等の低級アルコールなどが挙げられる。また、ガス拡散基材層を予め洗浄する際には、洗浄後にガス拡散基材層を乾燥することが好ましい。この場合の乾燥条件は、ガス拡散基材層中の溶媒が十分除去できる条件であれば特に制限されず、溶媒の種類や量によって適宜選択される。   The gas diffusion base material layer is preferably washed in advance before forming the microporous layer. The cleaning method in this case is not particularly limited, but a method of performing a cleaning treatment by immersing in a solvent and putting it in an ultrasonic cleaning apparatus can be preferably used. Here, the solvent for washing is not particularly limited, and examples thereof include water, lower alcohols such as methanol, ethanol, propanol, and isopropanol. Further, when the gas diffusion base material layer is previously cleaned, it is preferable to dry the gas diffusion base material layer after cleaning. The drying conditions in this case are not particularly limited as long as the solvent in the gas diffusion base material layer can be sufficiently removed, and are appropriately selected depending on the type and amount of the solvent.

以下に、本発明のガス拡散層(マイクロポーラス層の形成方法を含む)の製造方法を説明する。   Below, the manufacturing method of the gas diffusion layer (including the formation method of a microporous layer) of this invention is demonstrated.

すなわち、まず、(i)非イオン性水溶性固体および/または非イオン性多孔体、導電性粒子、疎水剤、および溶媒を混合して、インクを作製した後、(ii)上記(i)で作製したインクをガス拡散基材層に塗布し、焼結することによって、ガス拡散基材層上にマイクロポーラス層を形成することによって、本発明のガス拡散層が形成されうる。   That is, first, (i) a nonionic water-soluble solid and / or nonionic porous material, conductive particles, a hydrophobic agent, and a solvent are mixed to prepare an ink, and (ii) in (i) above The gas diffusion layer of the present invention can be formed by forming the microporous layer on the gas diffusion base material layer by applying the produced ink to the gas diffusion base material layer and sintering it.

上記工程(i)において、非イオン性水溶性固体および/または非イオン性多孔体をインクに使用する。このように非イオン性の物質を使用すると、導電性粒子、疎水剤、および溶媒と混合してインクを作製しても、塩斥による溶液/分散液での沈殿が起こらず、均一分散液を得ることができる。また、大径側及び小径側の空孔をともに大きくして、本発明に係る大径側の空孔及び小径側の空孔が形成できる。ここで、「非イオン性」とは、水中での電離度が低いことを意味する。   In the step (i), a nonionic water-soluble solid and / or a nonionic porous material is used for the ink. When a nonionic substance is used in this way, even when mixed with conductive particles, a hydrophobic agent, and a solvent, an ink is prepared, precipitation with a salt / solution does not occur, and a uniform dispersion can be obtained. Can be obtained. Moreover, the large-diameter side hole and the small-diameter side hole according to the present invention can be formed by enlarging both the large-diameter side hole and the small-diameter side hole. Here, “nonionic” means that the degree of ionization in water is low.

上記工程(i)で使用できる非イオン性水溶性固体は、常温(20℃)で水に溶解するものであれば特に制限されないが、常温(20℃)で100mlの水に3g以上、好ましくは5g以上溶解するものが好ましい。このように水溶性のものを使用すると、インク中では、均一に溶解した状態で導電性粒子の間に存在する。一方で、インクの塗布膜を焼成すると、塗膜中に非イオン性水溶性固体が析出する。ここで、非イオン性水溶性固体は、導電性粒子の間にそのまま入り込んだ状態である。次に、下記詳述するような工程(ii−1)で析出した非イオン性水溶性固体を洗い流すと、導電性粒子の間に存在する非イオン性水溶性固体が除去されるため、ここに空孔が新たに形成できる。具体的には、非イオン性水溶性固体しては、ホウ酸、尿素などが挙げられる。好ましくは、ホウ酸が非イオン性水溶性固体として好ましい。ホウ酸は、析出した時の粒径が小さいため、大径側の空孔及び小径側の空孔分布を第1及び第2の空孔分布中心になるように容易に調節できる。また、これらの非イオン性水溶性固体は、入手可能な一般的な材料である。このため、これらの非イオン性水溶性固体を用いて作製されたマイクロポーラス層は、低コストで簡単に、所望の空孔分布を提供するため、フラッディングを抑制したガス拡散層を作製するのに好適に使用できる。   The nonionic water-soluble solid that can be used in the step (i) is not particularly limited as long as it is soluble in water at room temperature (20 ° C.), but 3 g or more in 100 ml of water at room temperature (20 ° C.), preferably What melt | dissolves 5g or more is preferable. When such a water-soluble material is used, it exists between the conductive particles in the ink in a uniformly dissolved state. On the other hand, when the ink coating film is baked, a nonionic water-soluble solid is deposited in the coating film. Here, the nonionic water-soluble solid is in a state in which it enters directly between the conductive particles. Next, when the nonionic water-soluble solid deposited in the step (ii-1) described in detail below is washed away, the nonionic water-soluble solid present between the conductive particles is removed. Holes can be newly formed. Specifically, examples of the nonionic water-soluble solid include boric acid and urea. Preferably, boric acid is preferred as the nonionic water soluble solid. Since boric acid has a small particle size when deposited, it is possible to easily adjust the pore distribution on the large diameter side and the pore distribution on the small diameter side so as to be the first and second pore distribution centers. These nonionic water-soluble solids are common materials available. For this reason, microporous layers made using these nonionic water-soluble solids provide a desired pore distribution at a low cost, making it possible to produce gas diffusion layers with reduced flooding. It can be used suitably.

また、上記工程(i)で使用できる非イオン性多孔体としては、特に制限されないが、好ましくは80%以上、より好ましくは90%以上の空隙率を有する非イオン性多孔体であることが好ましい。非イオン性多孔体はもともと空孔を有するため、大径側、小径側の空孔を容易に調節できる。また、簡単で作業工程コストの低い方法で新たな大径化した空孔を作製することもできる。作製されたマイクロポーラス層は所望の空孔分布を有するため、フラッディングを抑制したガス拡散層を作製するのに好適に使用できる。非イオン性多孔体の他の化学的性質は、特に制限されないが、疎水性を有することが好ましい。このような場合には、マイクロポーラス層の撥水性をそのまま維持するため、フラッディングを有効に防止できる。非イオン性多孔体の材質は特に制限されない。具体的には、シリカ、アルミナ、チタニア、ジルコニア等の金属酸化物、および複合酸化物、例えば、チタニアの表面をアルミナで処理したものなどが挙げられる。これらのうち、コストなどを考慮すると、シリカが好ましい。非イオン性多孔体の形状は、特に制限はないが、シート状、タイル状、球状、柱状、管状のいずれの形状を有していてもよい。好ましくは、インク中では、球状であり、より好ましくは微粒子である。なお、非イオン性多孔体は、凝集した形態であってもよい。非イオン性多孔体が凝集しているまたはシート状もしくはタイル状である場合には、予め小片に割ることが好ましい。また、非イオン性多孔体の大きさは、特に制限されず、以下に詳述するがインクへの混合のしやすさやマイクロポーラス層の所望の空孔分布によって適宜選択される。したがって、疎水性シリカ、特に疎水性シリカエアロゲルが非イオン性多孔体として好ましく使用される。なお、非イオン性多孔体は、市販品を使用してもよく、例えば、疎水性シリカ(松下電工株式会社製、商品名:疎水性シリカエアロゲルシリーズ、SP−15、SP−30、SP−50)などが使用できる。   The nonionic porous material that can be used in the step (i) is not particularly limited, but is preferably a nonionic porous material having a porosity of 80% or more, more preferably 90% or more. . Since the nonionic porous body originally has pores, the pores on the large diameter side and the small diameter side can be easily adjusted. In addition, a new large-diameter hole can be produced by a simple method with low work process cost. Since the produced microporous layer has a desired pore distribution, it can be suitably used for producing a gas diffusion layer in which flooding is suppressed. The other chemical properties of the nonionic porous body are not particularly limited, but are preferably hydrophobic. In such a case, flooding can be effectively prevented because the water repellency of the microporous layer is maintained as it is. The material of the nonionic porous body is not particularly limited. Specific examples include metal oxides such as silica, alumina, titania, and zirconia, and composite oxides such as those obtained by treating the surface of titania with alumina. Of these, silica is preferable in consideration of cost and the like. The shape of the nonionic porous body is not particularly limited, but may be any of a sheet shape, a tile shape, a spherical shape, a columnar shape, and a tubular shape. Preferably, it is spherical in the ink, and more preferably fine particles. The nonionic porous body may be in an aggregated form. When the nonionic porous body is agglomerated, or is in the form of a sheet or tile, it is preferable to break it into small pieces in advance. The size of the nonionic porous body is not particularly limited, and will be selected as appropriate depending on the ease of mixing into the ink and the desired pore distribution of the microporous layer, as will be described in detail below. Therefore, hydrophobic silica, particularly hydrophobic silica airgel is preferably used as the nonionic porous body. A commercially available product may be used as the nonionic porous material, for example, hydrophobic silica (manufactured by Matsushita Electric Works Co., Ltd., trade names: hydrophobic silica airgel series, SP-15, SP-30, SP-50). ) Etc. can be used.

上記工程(i)で使用される導電性粒子は、電子伝導性に優れるものであれば特に制限されないが、導電性カーボン粒子が好ましい。当該導電性粒子及び疎水剤を使用することによっても、ある適度空孔を形成することができる。疎水剤にコーティングされたカーボン粒子が集合体となり多孔質構造を有する層を形成し、疎水剤により空孔表面に疎水性を付与することができる。また、カーボン粒子の粒子径を調整することにより、空孔径を所望の値に容易に制御できる。   Although the electroconductive particle used by the said process (i) will not be restrict | limited especially if it is excellent in electronic conductivity, An electroconductive carbon particle is preferable. Some moderate pores can also be formed by using the conductive particles and the hydrophobic agent. The carbon particles coated with the hydrophobic agent can be aggregated to form a layer having a porous structure, and the hydrophobic surface can be imparted with hydrophobicity by the hydrophobic agent. Moreover, the pore diameter can be easily controlled to a desired value by adjusting the particle diameter of the carbon particles.

ここで、導電性カーボン粒子としては、電子伝導性に優れるものであればよく、カーボンブラック粉末、黒鉛粉末、膨張黒鉛粉末、金属粉末、セラミックス粉末などが挙げられる。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挙げられる。カーボン粒子は、市販品を用いることができ、キャボット社製バルカンXC−72、バルカンP、ブラックパールズ880、ブラックパールズ1100、ブラックパールズ1300、ブラックパールズ2000、リーガル400、ライオン社製ケッチェンブラックEC、三菱化学社製#3150、#3250などのオイルファーネスブラック;電気化学工業社製デンカブラックなどのアセチレンブラック等が挙げられる。また、カーボンブラックのほか、天然の黒鉛、ピッチ、コークス、ポリアクリロニトリル、フェノール樹脂、フラン樹脂などの有機化合物から得られる人工黒鉛や炭素などがある。また、耐食性などを向上させるために、カーボン粒子を熱処理などの加工を行ってもよい。上記導電性粒子は、単独で使用されてもあるいは2種以上の混合物の形態で使用されてもよい。導電性粒子の平均粒子径は、特に制限されないが、100〜3000nm程度とするのがよい。なお、導電性粒子が上記好ましい平均粒子径の範囲にない場合には、導電性粒子を溶媒に一旦分散させたものについて粉砕処理などを施してもよい。このような場合の粉砕は、公知の粉砕方法が使用でき、例えば、ジェットミルを用いて粉砕することによって達成することができる。また、上記粉砕処理を行なう場合には、導伝性粒子が均一に分散するように、導電性粒子の分散液にさらに界面活性剤を添加してもよい。   Here, the conductive carbon particles may be those having excellent electronic conductivity, and examples thereof include carbon black powder, graphite powder, expanded graphite powder, metal powder, and ceramic powder. Carbon blacks such as oil furnace black, channel black, lamp black, thermal black, and acetylene black are preferred because of their excellent electron conductivity and large specific surface area. As the carbon particles, commercially available products can be used, such as Vulcan XC-72, Vulcan P, Black Pearls 880, Black Pearls 1100, Black Pearls 1300, Black Pearls 2000, Legal 400, Ketjen Black EC manufactured by Lion, Oil furnace black such as # 3150 and # 3250 manufactured by Mitsubishi Chemical Corporation; acetylene black such as Denka Black manufactured by Denki Kagaku Kogyo Co., Ltd. and the like. In addition to carbon black, there are artificial graphite and carbon obtained from organic compounds such as natural graphite, pitch, coke, polyacrylonitrile, phenol resin and furan resin. In order to improve the corrosion resistance and the like, the carbon particles may be subjected to processing such as heat treatment. The conductive particles may be used alone or in the form of a mixture of two or more. The average particle diameter of the conductive particles is not particularly limited, but is preferably about 100 to 3000 nm. When the conductive particles are not within the above preferred average particle diameter range, the conductive particles once dispersed in a solvent may be subjected to a pulverization treatment. In such a case, the pulverization can be accomplished by a known pulverization method, for example, by pulverization using a jet mill. Moreover, when performing the said grinding | pulverization process, you may add surfactant further to the dispersion liquid of electroconductive particle so that electroconductive particle may disperse | distribute uniformly.

疎水剤としては、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、ポリヘキサフルオロプロピレン、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体(FEP)などのフッ素系樹脂、ポリプロピレン、ポリエチレンなどが挙げられる。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、フッ素系樹脂が好ましく用いられる。なお、上記疎水剤は、単独で使用されてもあるいは2種以上の混合物の形態で使用されてもよい。   Examples of the hydrophobic agent include fluorine resins such as polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylidene fluoride (PVDF), polyhexafluoropropylene, and tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer (FEP), polypropylene, and polyethylene. It is done. Of these, fluororesins are preferably used because of their excellent water repellency and corrosion resistance during electrode reaction. In addition, the said hydrophobic agent may be used independently or may be used with the form of 2 or more types of mixtures.

導電性粒子と疎水剤の混合比は、導電性粒子が多過ぎるとバインダーの役目をする疎水剤が少なくなり、結合力が低下する恐れがあり、疎水剤が多過ぎると所望の空孔径が得られない恐れがある。これらを考慮して、導電性粒子と疎水剤との混合比は、質量比で、95:5〜60:40、好ましくは90:10〜80:20程度とするのがよい。   The mixing ratio of the conductive particles and the hydrophobic agent is such that if there are too many conductive particles, the amount of the hydrophobic agent acting as a binder will decrease and the binding force may decrease, and if there are too many hydrophobic agents, the desired pore size will be obtained. There is a fear that it is not possible. Considering these, the mixing ratio of the conductive particles and the hydrophobic agent is 95: 5 to 60:40, preferably about 90:10 to 80:20 in terms of mass ratio.

また、溶媒は、特に制限されず、使用する非イオン性水溶性固体および/または非イオン性多孔体、導電性粒子、疎水剤の種類によって、適宜選択される。具体的には、溶媒としては、水、パーフルオロベンゼン、ジクロロペンタフルオロプロパン、メタノール、エタノール等のアルコール系溶媒などの溶媒が使用できる。好ましくは、水、メタノール、エタノールであり、水がより好ましい。上記溶媒は、単独で使用されてもあるいは2種以上の混合物の形態で使用されてもよい。   The solvent is not particularly limited, and is appropriately selected depending on the type of nonionic water-soluble solid and / or nonionic porous material, conductive particles, and hydrophobic agent to be used. Specifically, solvents such as water, alcohol solvents such as perfluorobenzene, dichloropentafluoropropane, methanol and ethanol can be used as the solvent. Water, methanol, and ethanol are preferable, and water is more preferable. The said solvent may be used independently or may be used with the form of a 2 or more types of mixture.

次工程(ii)では、上記工程(i)で作製したインクをガス拡散基材層に塗布し、焼結することによって、ガス拡散基材層上にマイクロポーラス層を形成する。   In the next step (ii), the ink produced in the above step (i) is applied to the gas diffusion base material layer and sintered to form a microporous layer on the gas diffusion base material layer.

ここでは、上記工程(i)で作製したインクをガス拡散基材層に塗布する。ここで、インクの塗布方法は、特に制限されず、スプレー、ナイフコーター、スピンコーターなど各種公知技術を用いて塗布すればよい。インクの塗布量は、特に制限されないが、乾燥後の厚みが上記マイクロポーラス層の厚みとなるような量であることが好ましい。   Here, the ink produced in the step (i) is applied to the gas diffusion base material layer. Here, the ink application method is not particularly limited, and may be applied using various known techniques such as spraying, knife coater, spin coater and the like. The amount of ink applied is not particularly limited, but is preferably an amount such that the thickness after drying becomes the thickness of the microporous layer.

また、インクの塗膜は、焼結前に、乾燥されることが好ましい。この場合の乾燥条件は、特に制限されないが、20〜120℃、好ましくは60〜100℃で、5〜120分間、好ましくは5〜60分間程度、行えばよい。また、上記乾燥塗膜を、次に焼結するが、この際の焼結条件もまた特に制限されないが、マッフル炉や焼成炉を用いて250〜450℃、好ましくは300〜400℃で、5〜120分間、好ましくは5〜60分間程度、行えばよい。   Also, the ink coating is preferably dried before sintering. The drying conditions in this case are not particularly limited, but may be 20 to 120 ° C., preferably 60 to 100 ° C., for 5 to 120 minutes, preferably about 5 to 60 minutes. The dried coating film is sintered next, and the sintering conditions are not particularly limited, but are 250 to 450 ° C., preferably 300 to 400 ° C. using a muffle furnace or a firing furnace. It may be performed for about 120 minutes, preferably about 5 to 60 minutes.

上記工程(ii)により、本発明に係る特定の空孔分布中心を持つようにマイクロポーラス層がガス拡散基材層上に形成される。ここで、マイクロポーラス層内に上記したような特定の空孔分布中心をより確実に提供するためには、(ii−1)工程(i)で非イオン性水溶性固体を使用する場合には、インクの塗布膜を焼結した後、焼結した塗布膜を水性溶媒で洗い流し、析出した非イオン性水溶性固体を除去する工程;および/または(ii−2)工程(i)で非イオン性多孔体を使用する場合には、工程(i)で作製したインクを粉砕した後、ガス拡散基材層に塗布する工程をさらに行なうことが好ましい。以下、上記(ii−1)及び(ii−2)を説明する。   By the step (ii), the microporous layer is formed on the gas diffusion base material layer so as to have the specific hole distribution center according to the present invention. Here, in order to more reliably provide the specific pore distribution center as described above in the microporous layer, (ii-1) When using a nonionic water-soluble solid in step (i) Sintering the ink coating film, washing the sintered coating film with an aqueous solvent, and removing the deposited nonionic water-soluble solid; and / or (ii-2) nonionic in step (i) In the case of using a porous porous material, it is preferable to further perform a step of pulverizing the ink prepared in the step (i) and then applying it to the gas diffusion base material layer. Hereinafter, (ii-1) and (ii-2) will be described.

工程(ii−1)では、非イオン性水溶性固体を使用する場合には、焼結を行なった後、水性溶媒で洗い流して、析出した非イオン性水溶性固体を除去することによって、本発明のマイクロポーラス層が形成できる。詳細には、以下のようにして、マイクロポーラス層に上記したような特定の空孔分布が形成されると、考えられる。即ち、乾燥・焼結後、導電性粒子の間に非イオン性水溶性固体が析出した形態で塗膜が形成される。ここで、非イオン性水溶性固体は、粒径の小さい状態で塗膜内に存在する。次に、この形態の塗膜を水性溶媒で洗浄すると、塗膜中の非イオン性水溶性固体のみが溶解するため、非イオン性水溶性固体が選択的に塗膜から除かれる。このようにして、上記したような第1及び第2の空孔分布中心を有するマイクロポーラス層が形成できる。なお、本発明は、上記推定に限定されるものではない。   In step (ii-1), when a nonionic water-soluble solid is used, after sintering, the nonionic water-soluble solid is washed away with an aqueous solvent to remove the precipitated nonionic water-soluble solid. The microporous layer can be formed. Specifically, it is considered that the specific pore distribution as described above is formed in the microporous layer as follows. That is, after drying and sintering, a coating film is formed in a form in which a nonionic water-soluble solid is deposited between the conductive particles. Here, the nonionic water-soluble solid is present in the coating film with a small particle size. Next, when the coating film of this form is washed with an aqueous solvent, only the nonionic water-soluble solid in the coating film is dissolved, so that the nonionic water-soluble solid is selectively removed from the coating film. In this way, a microporous layer having the first and second hole distribution centers as described above can be formed. The present invention is not limited to the above estimation.

上記工程(ii−1)で使用できる水性溶媒は、非イオン性水溶性固体を洗い流せる水性溶媒であれば特に制限されない。具体的には、水、メタノール、エタノール等の低級アルコール系溶媒などが使用できる。水が好ましく使用される。なお、上記水性溶媒は、単独で使用されてもあるいは2種以上の混合物の形態で使用されてもよい。また、水性溶媒で塗膜中に析出した非イオン性水溶性固体を洗い流す条件は、非イオン性水溶性固体を十分除去して所望の空孔分布が得られる条件であればよい。具体的には、過剰量の水性溶媒に塗膜を、好ましくは攪拌しながら、浸漬する;過剰量の水性溶媒に塗膜を浸漬して、超音波処理を行なうなどが使用できる。   The aqueous solvent that can be used in the step (ii-1) is not particularly limited as long as it is an aqueous solvent that can wash away a nonionic water-soluble solid. Specifically, water, lower alcohol solvents such as methanol, ethanol and the like can be used. Water is preferably used. In addition, the said aqueous solvent may be used independently or may be used with the form of 2 or more types of mixtures. Moreover, the conditions for washing away the nonionic water-soluble solid precipitated in the coating film with the aqueous solvent may be any conditions that can sufficiently remove the nonionic water-soluble solid and obtain a desired pore distribution. Specifically, the coating film is immersed in an excessive amount of an aqueous solvent, preferably while stirring; the coating film is immersed in an excessive amount of an aqueous solvent and subjected to ultrasonic treatment.

また、工程(ii−2)では、工程(i)で作製したインクを粉砕した後、ガス拡散基材層に塗布することによって、本発明のマイクロポーラス層が形成できる。以下、当該方法について説明する。非イオン性多孔体を粉砕すると、容易にその構造が破壊し簡単に微粒子化することができる。このため、インクを予め粉砕することによって、空孔を容易に大径化でき、これにより、第1及び第2の空孔分布中心を有するマイクロポーラス層をより確実に形成することができる。また、分散剤や凝集防止剤を使わなくても簡単な方法で疎水性微粒子をマイクロポーラス層内に導入することができるため、低コストで触媒層等に影響を与える不純物がないガス拡散層を作製することができる。   In step (ii-2), the ink produced in step (i) is pulverized and then applied to the gas diffusion base material layer, whereby the microporous layer of the present invention can be formed. Hereinafter, the method will be described. When a nonionic porous body is pulverized, its structure can be easily broken and easily formed into fine particles. For this reason, the pores can be easily enlarged by pulverizing the ink in advance, whereby the microporous layer having the first and second pore distribution centers can be more reliably formed. In addition, since it is possible to introduce hydrophobic fine particles into the microporous layer by a simple method without using a dispersant or an anti-aggregation agent, a gas diffusion layer free from impurities that affect the catalyst layer and the like can be formed at a low cost. Can be produced.

工程(ii−2)において、空隙率の高い疎水性シリカエアロゲルを非イオン性多孔体として使用する場合には、粉砕によりその構造がさらに壊れやすいため、容易に微粒子化することができるため、より好ましい。特に比較的大きな疎水性シリカエアロゲルを使用する場合には、疎水性シリカエアロゲルを一旦小片に割った後、インク中に投入して、粉砕して微粒子化を行なうことが好ましい。これにより、インク中で微粒化するため、均一に混ざる。なお、疎水性シリカエアロゲルを微粒子の状態でインクに入れる場合には、疎水性シリカエアロゲル微粒子が軽いため、インク上面に浮いてしまい、インクと均一に混ざりにくい場合がある。   In the step (ii-2), when a hydrophobic silica airgel having a high porosity is used as a nonionic porous body, the structure is further fragile by pulverization, so that it can be easily made into fine particles. preferable. In particular, when a relatively large hydrophobic silica airgel is used, it is preferable to divide the hydrophobic silica airgel into small pieces and then throw them into the ink and pulverize them to make fine particles. Thereby, since it atomizes in an ink, it mixes uniformly. When the hydrophobic silica airgel is put in the ink in the form of fine particles, the hydrophobic silica airgel fine particles are light, so that they float on the upper surface of the ink and may not be mixed with the ink uniformly.

工程(ii−2)において、粉砕方法や条件は、マイクロポーラス層内に大径側及び小径側の空孔が形成できる方法及び条件であれば特に制限されない。具体的には、非イオン性多孔体を、ホモジナイザーを用いて5〜30分間、粉砕することが好ましい。   In the step (ii-2), the pulverization method and conditions are not particularly limited as long as they are methods and conditions that can form pores on the large diameter side and the small diameter side in the microporous layer. Specifically, it is preferable to grind the nonionic porous body for 5 to 30 minutes using a homogenizer.

上記方法によって得られた本発明のガス拡散層は、5〜15μmの空孔径範囲に存在する第1の空孔分布中心、および0.2〜0.5μmの空孔径範囲に存在する第2の空孔分布中心を少なくとも有するマイクロポーラス層を備えている。このため、多量の生成水が発生する1A/cm以上の高電流密度域であっても、ガスの供給は確保したまま、空孔を水で塞ぐことなく、多量の水を効率よく排出することができる。ゆえに、本発明のガス拡散層によると、高電流密度域であっても生成水を効率よく排出することができ、フラッディング現象を有効に抑制・防止できる。また、ガス拡散層の十分な強度も確保できる。したがって、本発明に係るガス拡散層は、電解質膜−電極接合体、当該電解質膜−電極接合体を用いてなる燃料電池、および当該燃料電池を搭載した車両に好適に適用できる。このような電解質膜−電極接合体や燃料電池は、高電流密度域でのフラッディング現象を防止し電圧を高め、高い発電性能を発揮することができる。 The gas diffusion layer of the present invention obtained by the above method has a first pore distribution center existing in the pore diameter range of 5 to 15 μm, and a second center existing in the pore diameter range of 0.2 to 0.5 μm. A microporous layer having at least a pore distribution center is provided. For this reason, even in a high current density region of 1 A / cm 2 or more where a large amount of generated water is generated, a large amount of water is efficiently discharged without blocking the pores with water while ensuring the supply of gas. be able to. Therefore, according to the gas diffusion layer of the present invention, generated water can be efficiently discharged even in a high current density region, and the flooding phenomenon can be effectively suppressed / prevented. Moreover, sufficient strength of the gas diffusion layer can be secured. Therefore, the gas diffusion layer according to the present invention can be suitably applied to an electrolyte membrane-electrode assembly, a fuel cell using the electrolyte membrane-electrode assembly, and a vehicle equipped with the fuel cell. Such an electrolyte membrane-electrode assembly and a fuel cell can prevent flooding in a high current density region, increase the voltage, and exhibit high power generation performance.

本発明に係る電解質膜−電極接合体は、電解質膜と、前記電解質膜の一方の側に順次配置された、カソード触媒層及びカソード側ガス拡散層と、前記電解質膜の他方の側に順次配置された、アノード触媒層及びアノード側ガス拡散層と、を有し、カソード側ガス拡散層および前記アノード側ガス拡散層の少なくとも一方が、本発明のガス拡散層である。ここで、ガス拡散層は、カソード側ガス拡散層及びアノード側ガス拡散層の少なくとも一方に使用されればよい。しかし、上述したように、カソード側で特に水が生成するため、本発明のガス拡散層は、カソード側ガス拡散層で少なくとも使用されることが好ましい。   The electrolyte membrane-electrode assembly according to the present invention is sequentially arranged on the other side of the electrolyte membrane, the cathode catalyst layer and the cathode side gas diffusion layer, which are sequentially arranged on one side of the electrolyte membrane, and the electrolyte membrane. An anode catalyst layer and an anode side gas diffusion layer, and at least one of the cathode side gas diffusion layer and the anode side gas diffusion layer is the gas diffusion layer of the present invention. Here, the gas diffusion layer may be used for at least one of the cathode side gas diffusion layer and the anode side gas diffusion layer. However, as described above, since water is generated particularly on the cathode side, the gas diffusion layer of the present invention is preferably used at least in the cathode side gas diffusion layer.

ここで、電解質膜−電極接合体および燃料電池は、本発明に係るガス拡散層を使用する以外は、公知の方法、材料などが使用できる。   Here, as the electrolyte membrane-electrode assembly and the fuel cell, known methods and materials can be used except that the gas diffusion layer according to the present invention is used.

以下、本発明の電解質膜−電極接合体および燃料電池につき、構成要件ごとに説明する。   Hereinafter, the electrolyte membrane-electrode assembly and the fuel cell of the present invention will be described for each component.

図2は、本発明の燃料電池の基本構成(単セル構成)を模式的に表した断面概略図である。本発明はこれに限定されない。   FIG. 2 is a schematic cross-sectional view schematically showing the basic configuration (single cell configuration) of the fuel cell of the present invention. The present invention is not limited to this.

図2において燃料電池(単セル)20は、電解質膜21の両側(表面及び裏面)に、アノード側触媒層22aとカソード側触媒層22bとがそれぞれ対向して配置されている。さらにアノード側触媒層22aとカソード側触媒層22bの両側(外側)に、アノード側ガス拡散層(GDL)23aおよびカソード側GDL23bとがそれぞれ対向して配置され、電解質膜−電極接合体(以下、MEAともいう)24を構成している。本発明では、これらアノード側GDL23aとカソード側GDL23bの少なくとも一方に、本発明に係るガス拡散層が用いられていることを特徴とするものである。好ましくはカソード側GDL23bに、より好ましくはアノード側GDL23aとカソード側GDL23bの両方に、本発明のガス拡散層が用いられる。なお、いずれか一方のGDLに本発明のガス拡散層を用いない場合には、従来公知のガス拡散層(GDL)が同様にして用いられる。具体的には、GDL23a、23bとしては、特に限定されないが、炭素製の織物、紙状抄紙体、フェルト、不織布といった導電性及び多孔質性を有するシート状材料を基材とする多孔質基材などが挙げられる。また、GDL23a、23bでも触媒層22a、22bと同様に撥水性を高めてフラッディング現象を防ぐために、公知の手段を用いて、前記GDL23a、23bの撥水処理を行なったり、前記GDL23a、23b上に炭素粒子集合体からなる層を形成してもよい。   In the fuel cell (single cell) 20 in FIG. 2, the anode side catalyst layer 22 a and the cathode side catalyst layer 22 b are respectively arranged on both sides (front surface and back surface) of the electrolyte membrane 21. Further, on both sides (outside) of the anode side catalyst layer 22a and the cathode side catalyst layer 22b, an anode side gas diffusion layer (GDL) 23a and a cathode side GDL 23b are respectively arranged so as to face each other. (Also referred to as MEA) 24. The present invention is characterized in that the gas diffusion layer according to the present invention is used in at least one of the anode side GDL 23a and the cathode side GDL 23b. The gas diffusion layer of the present invention is preferably used for the cathode side GDL 23b, more preferably for both the anode side GDL 23a and the cathode side GDL 23b. In addition, when not using the gas diffusion layer of this invention for any one GDL, a conventionally well-known gas diffusion layer (GDL) is used similarly. Specifically, the GDLs 23a and 23b are not particularly limited, but are porous substrates based on a sheet-like material having conductivity and porosity, such as carbon woven fabrics, paper-like paper bodies, felts, and nonwoven fabrics. Etc. Similarly to the catalyst layers 22a and 22b, the GDLs 23a and 23b may be subjected to water repellency treatment on the GDLs 23a and 23b using known means in order to increase water repellency and prevent flooding. You may form the layer which consists of carbon particle aggregates.

本発明のMEAの構成を有する固体高分子形燃料電池において、触媒層22、GDL23および電解質膜21の厚さは、燃料ガスの拡散性などを向上させるには薄い方が望ましいが、薄すぎると十分な電極出力が得られない。従って、所望の特性を有するMEA24、更には固体高分子形燃料電池が得られるように適宜決定すればよい。   In the polymer electrolyte fuel cell having the MEA structure of the present invention, the catalyst layer 22, the GDL 23 and the electrolyte membrane 21 are desirably thin to improve the diffusibility of the fuel gas. Sufficient electrode output cannot be obtained. Accordingly, the MEA 24 having the desired characteristics, and further, the solid polymer fuel cell may be determined as appropriate.

さらに、各GDL23a、23bの両側(外側)にアノード及びカソードパレータ25a、25bが配置されている。該セパレータ25a、25bの内部にはガス流路(溝)26a、26bが設けられている。このガス流路(溝)26a、26bを通じて、水素含有ガス(例えば、Hガスなど)及び酸素含有ガス(例えば、Airなど)がアノード側及びカソード側のGDL23a、23bを通して触媒層22a、22bにそれぞれ供給される。さらに、ガスが外部へ漏洩することを防止するために、電解質膜21の外周領域とセパレータ25a、25bとの間にガスケット27がそれぞれ配置されている。 Further, anode and cathode palators 25a and 25b are arranged on both sides (outside) of the GDLs 23a and 23b. Gas flow paths (grooves) 26a and 26b are provided inside the separators 25a and 25b. Through these gas flow paths (grooves) 26a and 26b, a hydrogen-containing gas (for example, H 2 gas) and an oxygen-containing gas (for example, Air) are passed to the catalyst layers 22a and 22b through the anode-side and cathode-side GDLs 23a and 23b. Supplied respectively. Further, in order to prevent gas from leaking to the outside, gaskets 27 are respectively disposed between the outer peripheral region of the electrolyte membrane 21 and the separators 25a and 25b.

(A)電解質膜
本発明の燃料電池に用いることのできる電解質膜は、高いプロトン伝導性を有していればよい。高いプロトン伝導性を有する膜としては、−SOH基などのイオン交換基を有するモノマーの重合体または共重合体;またはイオン交換基を有するモノマーと他のモノマーとの重合体などの公知の材料からなる膜を用いることができる。かかる電解質膜21の材質としては、具体的には、ポリマー骨格の全部又は一部がフッ素化されたフッ素系樹脂であってイオン交換基を備えた電解質、または、ポリマー骨格にフッ素を含まない芳香族系炭化水素樹脂であってイオン交換基を備えた電解質、などが挙げられる。
(A) Electrolyte membrane The electrolyte membrane which can be used for the fuel cell of this invention should just have high proton conductivity. Examples of the membrane having high proton conductivity include a polymer or copolymer of a monomer having an ion exchange group such as —SO 3 H group; or a polymer of a monomer having an ion exchange group and another monomer. A film made of a material can be used. Specific examples of the material of the electrolyte membrane 21 include an electrolyte having a fluorinated resin in which all or part of the polymer skeleton is fluorinated and having an ion exchange group, or an aromatic that does not contain fluorine in the polymer skeleton. An electrolyte having an ion exchange group, which is a group hydrocarbon resin.

前記イオン交換基としては、特に制限されないが、−SOH、−COOH、−PO(OH)、−POH(OH)、−SONHSO−、−Ph(OH)(Phはフェニル基を表す)等の陽イオン交換基、−NH、−NHR、−NRR’、−NRR’R’’、−NH 等(R、R’、R’’は、アルキル基、シクロアルキル基、アリール基等を表す)等の陰イオン交換基などが挙げられる。 Examples of the ion-exchange group is not particularly limited, -SO 3 H, -COOH, -PO (OH) 2, -POH (OH), - SO 2 NHSO 2 -, - Ph (OH) (Ph represents a phenyl group A cation exchange group such as —NH 2 , —NHR, —NRR ′, —NRR′R ″ + , —NH 3 + and the like (R, R ′, R ″ represent an alkyl group, cycloalkyl Anion exchange groups such as a group, an aryl group, and the like.

前記フッ素系樹脂であってイオン交換基を備えた電解質としては、具体的には、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、ポリトリフルオロスチレンスルフォン酸系ポリマー、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、ポリテトラフルオロエチレン−g−ポリスチレンスルホン酸系ポリマー、ポリフッ化ビニリデン−g−ポリスチレンスルホン酸系ポリマーなどが好適な一例として挙げられる。   Specific examples of the electrolyte having a fluorine resin and having an ion exchange group include Nafion (registered trademark, manufactured by DuPont), Aciplex (registered trademark, manufactured by Asahi Kasei Co., Ltd.), and Flemion (registered trademark, Asahi Glass). Perfluorocarbon sulfonic acid polymer, polytrifluorostyrene sulfonic acid polymer, perfluorocarbon phosphonic acid polymer, trifluorostyrene sulfonic acid polymer, ethylenetetrafluoroethylene-g-styrene sulfonic acid polymer, Suitable examples include ethylene-tetrafluoroethylene copolymer, polytetrafluoroethylene-g-polystyrene sulfonic acid polymer, and polyvinylidene fluoride-g-polystyrene sulfonic acid polymer.

前記芳香族系炭化水素樹脂であってイオン交換基を備えた電解質としては、具体的には、ポリサルホンスルホン酸系ポリマー、ポリエーテルエーテルケトンスルホン酸系ポリマー、ポリベンズイミダゾールアルキルスルホン酸系ポリマー、ポリベンズイミダゾールアルキルホスホン酸系ポリマー、架橋ポリスチレンスルホン酸系ポリマー、ポリエーテルサルホンスルホン酸系ポリマー等が好適な一例として挙げられる。   Specific examples of the electrolyte that is an aromatic hydrocarbon resin and includes an ion exchange group include a polysulfone sulfonic acid polymer, a polyether ether ketone sulfonic acid polymer, a polybenzimidazole alkyl sulfonic acid polymer, Preferred examples include benzimidazole alkylphosphonic acid polymers, cross-linked polystyrene sulfonic acid polymers, polyethersulfone sulfonic acid polymers, and the like.

高分子電解質は、耐熱性、化学的安定性などに優れることから、フッ素原子を含むのが好ましい。なかでも、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)などのフッ素系電解質が好ましく挙げられる。特に、本発明において、高分子電解質としてナフィオン(登録商標、デュポン社製)等のスルホン酸基を有するものを使用する場合には、EWが600〜1100程度のものを使用することが好ましい。なお、EW(Equivalent Weight)は、スルホン酸基1モル当たりの乾燥膜重量を表わし、小さいほどスルホン酸基の比重が大きいことを意味する。   The polymer electrolyte preferably contains a fluorine atom because it is excellent in heat resistance, chemical stability, and the like. Among these, fluorine electrolytes such as 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 are preferable. In particular, in the present invention, when a polymer electrolyte having a sulfonic acid group such as Nafion (registered trademark, manufactured by DuPont) is used, it is preferable to use one having an EW of about 600 to 1100. In addition, EW (Equivalent Weight) represents the dry film weight per 1 mol of sulfonic acid groups, and means that the specific gravity of sulfonic acid groups is larger as it is smaller.

また、高分子電解質の量は、特に制限されない。導電性担体質量(C)に対する前記高分子電解質質量(I)の比(Ionomer/Carbon;I/C)が、0.5〜2.0、より好ましくは0.7〜1.6となるような量であることが好ましい。このような範囲であると、十分なプロトン伝導性およびガス拡散性が達成しうる。なお、上記I/C比は、以下に詳述する触媒インク(スラリー)を作製する際に予め混合する触媒層中に含まれる導電性担体質量および電解質固形分を測定しておき、これらの混合比を調整することにより、算出され、また、制御できる。また、電極触媒層を分析して、前記I/Cを求める際の、導電性担体の質量(C)とは、電極触媒の質量から触媒成分の質量を差し引いたものとする。触媒成分の質量は誘導結合プラズマ発光分光法(ICP)によって定量することができる。電極触媒層を分析して、前記I/Cを求める際の、触媒層中の高分子電解質質量(I)は、19F NMRによる高分子電解質の構造解析、および、電量滴定によるS原子の定量、の2つを組合わせることで定量することができる。 Further, the amount of the polymer electrolyte is not particularly limited. The ratio (Ionomer / Carbon; I / C) of the polymer electrolyte mass (I) to the conductive carrier mass (C) is 0.5 to 2.0, more preferably 0.7 to 1.6. It is preferable that the amount is small. In such a range, sufficient proton conductivity and gas diffusivity can be achieved. The above I / C ratio is determined by measuring the conductive carrier mass and the electrolyte solid content contained in the catalyst layer to be mixed in advance when preparing the catalyst ink (slurry) described in detail below. It can be calculated and controlled by adjusting the ratio. In addition, the mass (C) of the conductive support when the electrode catalyst layer is analyzed to determine the I / C is obtained by subtracting the mass of the catalyst component from the mass of the electrode catalyst. The mass of the catalyst component can be quantified by inductively coupled plasma emission spectroscopy (ICP). The polymer electrolyte mass (I) in the catalyst layer when the electrode catalyst layer is analyzed to determine the I / C is determined by the structure analysis of the polymer electrolyte by 19 F NMR and the determination of S atoms by coulometric titration. It is possible to quantify by combining the two.

電解質膜の膜厚は、得られる燃料電池の特性を考慮して適宜決定することができるが、5〜300μmが好ましく、より好ましくは10〜200μm、特に好ましくは15〜150μmである。電解質膜の膜厚が5μm以上であると製膜時の強度や燃料電池作動時の耐久性の点から好ましく、300μm以下であると燃料電池作動時の出力特性の点から好ましい。   The thickness of the electrolyte membrane can be appropriately determined in consideration of the characteristics of the obtained fuel cell, but is preferably 5 to 300 μm, more preferably 10 to 200 μm, and particularly preferably 15 to 150 μm. The thickness of the electrolyte membrane is preferably 5 μm or more from the viewpoint of strength during film formation and durability during operation of the fuel cell, and is preferably 300 μm or less from the viewpoint of output characteristics during operation of the fuel cell.

なお、本発明では、燃料電池のアノード及びカソードの両電極間に介在される電解質成分を含有してなる構成部材を、電解質膜と称したが、決してその名称に拘泥されるものではない。燃料電池に用いられる使用目的からみて、例えば、電解質層や電解質などと称される場合であっても、本発明でいう電解質膜に含まれる場合があることはいうまでもない。他の構成要件についても同様であり、その名称に拘泥されるものではなく、使用目的に照らしてその同一性を判断すればよい。   In the present invention, the constituent member containing the electrolyte component interposed between the anode and cathode electrodes of the fuel cell is referred to as an electrolyte membrane, but is not limited to the name. In view of the intended use used in the fuel cell, for example, even when it is referred to as an electrolyte layer or an electrolyte, it may be included in the electrolyte membrane referred to in the present invention. The same applies to the other component requirements, and the identity is not limited to the name, but the identity may be determined in light of the purpose of use.

(B)触媒層
本発明において、カソード触媒層に用いられる触媒成分は、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。また、アノード触媒層に用いられる触媒成分もまた、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。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、及びそれらの合金等などから選択される。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、白金が30〜90原子%、合金化する金属が10〜70原子%とするのがよい。カソード触媒として合金を使用する場合の合金の組成は、合金化する金属の種類などによって異なり適宜選択できる。この際、カソード触媒層に用いることのできる触媒成分及びアノード触媒層に用いることのできる触媒成分は、上記の中から適宜選択できる。
(B) Catalyst Layer In the present invention, 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. Further, the catalyst component used in the anode catalyst layer is not particularly limited as long as it has a catalytic action for the oxidation reaction of hydrogen, and a known catalyst can be used in the same manner. Specifically, selected from platinum, ruthenium, iridium, rhodium, palladium, osmium, tungsten, lead, iron, chromium, cobalt, nickel, manganese, vanadium, molybdenum, gallium, aluminum, and alloys thereof, and the like Is done. 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. The composition of the alloy is preferably 30 to 90 atomic% for platinum and 10 to 70 atomic% for the metal to be alloyed, depending on the type of metal to be alloyed. The composition of the alloy when the alloy is used as the cathode catalyst varies depending on the type of metal to be alloyed and can be selected as appropriate. At this time, the catalyst component that can be used for the cathode catalyst layer and the catalyst component that can be used for the anode catalyst layer can be appropriately selected from the 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使用できるが、触媒成分は、粒状であることが好ましい。この際、触媒成分の平均粒子径は、小さいほど電気化学反応が進行する有効電極面積が増加するため酸素還元活性も高くなり好ましいが、実際には平均粒子径が小さすぎると却って酸素還元活性が低下する現象が見られる。従って、触媒成分の平均粒子径は、1〜30nm、より好ましくは1.5〜20nm、さらにより好ましくは2〜10nm、特に好ましくは2〜5nmの粒状であることが好ましい。担持の容易さという観点から1nm以上であることが好ましく、触媒利用率の観点から30nm以下であることが好ましい。なお、本発明における「触媒成分の平均粒子径」は、X線回折における触媒粒子の回折ピークの半値幅より求められる結晶子径あるいは透過型電子顕微鏡像より調べられる触媒粒子の粒子径の平均値により測定することができる。   The shape and size of the catalyst component are not particularly limited, and the same shape and size as known catalyst components can be used, but the catalyst component is preferably granular. At this time, the smaller the average particle size of the catalyst component, the higher the effective electrode area where the electrochemical reaction proceeds, so the oxygen reduction activity becomes higher. A decreasing phenomenon is observed. Therefore, the average particle diameter of the catalyst component is preferably 1 to 30 nm, more preferably 1.5 to 20 nm, even more preferably 2 to 10 nm, and particularly preferably 2 to 5 nm. It is preferably 1 nm or more from the viewpoint of easy loading, and preferably 30 nm or less from the viewpoint of catalyst utilization. The “average particle size of the catalyst component” in the present invention is the average value of the particle size of the catalyst particles determined from the crystallite size or transmission electron microscope image obtained from the half width of the diffraction peak of the catalyst particles in X-ray diffraction. Can be measured.

前記導電性担体としては、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、集電体として十分な電子導電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のが好ましい。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、本発明において「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ることを意味する。   The conductive carrier may have any specific surface area for supporting the catalyst component in a desired dispersed state and has sufficient electronic conductivity as a current collector. The main component is carbon. Preferably there is. Specific examples include carbon particles made of carbon black, activated carbon, coke, natural graphite, artificial graphite and the like. In the present invention, “the main component is carbon” refers to containing a carbon atom as a main component, and is a concept including both a carbon atom only and a substantially carbon atom. In some cases, elements other than carbon atoms may be included in order to improve the characteristics of the fuel cell. In addition, being substantially composed of carbon atoms means that mixing of impurities of about 2 to 3% by mass or less is allowed.

前記導電性担体のBET比表面積は、触媒成分を高分散担持させるのに十分な比表面積であればよい。柱状および/または管状の導電性担体の場合、導電性担体のBET比表面積は、好ましくは1m/g〜2000m/g程度とするのがよい。前記比表面積が、1m/g程度以上あれば前記導電性担体への触媒成分および高分子電解質の分散性が向上し、十分な発電性能が得られる。一方、2000m/g程度以下であれば、触媒成分および高分子電解質の高い有効利用率を有効に保持することができる。 The BET specific surface area of the conductive carrier may be a specific surface area sufficient to support a highly dispersed catalyst component. If the columnar and / or tubular conductive support, BET specific surface area of the conductive support, and it is preferably a 1m 2 / g~2000m 2 / g approximately. If the specific surface area is about 1 m 2 / g or more, the dispersibility of the catalyst component and the polymer electrolyte in the conductive carrier is improved, and sufficient power generation performance is obtained. On the other hand, if it is about 2000 m < 2 > / g or less, the high effective utilization factor of a catalyst component and a polymer electrolyte can be hold | maintained effectively.

また、球状の導電性担体の場合、導電性担体のBET比表面積は、好ましくは5〜2000m/g、より好ましくは50〜1500m/gとするのがよい。特に好ましくは導電性担体のBET比表面積が50〜2000m/gのアセチレンブラック、バルカン、ケッチェンブラック、ブラックパールである。 In the case of a spherical conductive carrier, the BET specific surface area of the conductive carrier is preferably 5 to 2000 m 2 / g, more preferably 50 to 1500 m 2 / g. Particularly preferred are acetylene black, Vulcan, Ketjen Black, and Black Pearl, in which the conductive carrier has a BET specific surface area of 50 to 2000 m 2 / g.

また、前記導電性担体の大きさは、特に限定されないが、担持の容易さ、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、平均粒子径が5〜1000nm、好ましくは50〜700nm程度とするのがよい。   In addition, the size of the conductive carrier is not particularly limited, but from the viewpoint of controlling the ease of loading, catalyst utilization, and the thickness of the catalyst layer within an appropriate range, the average particle size is 5 to 1000 nm, Preferably, the thickness is about 50 to 700 nm.

導電性担体に触媒成分が担持された電極触媒において、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%とするのがよい。前記担持量が、80質量%以下であると、触媒成分の導電性担体上での優れた分散度を有効に保持することができ、担持量の増加に見合った発電性能の向上効果を有効に発現させることができる利点がある。また、前記担持量が、10質量%以上であると、単位質量あたりの触媒活性に優れ、担持量に応じた所望の発電性能を得ることができる。そのため、所望の電池性能を確保するための担持量設計が比較的容易になし得る点で優れている。なお、触媒粒子の担持量は、誘導結合プラズマ発光分光法(ICP)によって調べることができる。   In the electrode catalyst in which the catalyst component is supported on the conductive support, 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 is 80% by mass or less, it is possible to effectively maintain an excellent degree of dispersion of the catalyst component on the conductive support, and to effectively improve the power generation performance corresponding to the increase in the supported amount. There is an advantage that can be expressed. Further, when the supported amount is 10% by mass or more, the catalyst activity per unit mass is excellent, and desired power generation performance corresponding to the supported amount can be obtained. Therefore, it is excellent in that the carrying amount design for ensuring the desired battery performance can be made relatively easily. The amount of catalyst particles supported can be examined by inductively coupled plasma emission spectroscopy (ICP).

本発明のカソード触媒層/アノード触媒層(以下、単に「触媒層」とも称する)には、電極触媒の他に、高分子電解質が含まれる。前記高分子電解質としては、特に限定されず公知のものを用いることができるが、少なくとも高いプロトン伝導性を有する部材であればよい。この際使用できる高分子電解質は、ポリマー骨格の全部又は一部にフッ素原子を含むフッ素系電解質と、ポリマー骨格にフッ素原子を含まない炭化水素系電解質とに大別される。   The cathode catalyst layer / anode catalyst layer (hereinafter also simply referred to as “catalyst layer”) of the present invention contains a polymer electrolyte in addition to the electrode catalyst. The polymer electrolyte is not particularly limited, and a known one can be used, but any member having at least high proton conductivity may be used. The polymer electrolyte that can be used in this case is roughly classified into a fluorine-based electrolyte that contains fluorine atoms in the whole or a part of the polymer skeleton and a hydrocarbon-based electrolyte that does not contain fluorine atoms in the polymer skeleton.

前記フッ素系電解質として、具体的には、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、ポリトリフルオロスチレンスルフォン酸系ポリマー、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好適な一例として挙げられる。   Specific examples of the fluorine electrolyte include perfluorocarbon sulfonic acids such as Nafion (registered trademark, manufactured by DuPont), Aciplex (registered trademark, manufactured by Asahi Kasei Co., Ltd.), and Flemion (registered trademark, manufactured by Asahi Glass Co., Ltd.). Polymer, polytrifluorostyrene sulfonic acid polymer, perfluorocarbon phosphonic acid polymer, trifluorostyrene sulfonic acid polymer, ethylene tetrafluoroethylene-g-styrene sulfonic acid polymer, ethylene-tetrafluoroethylene copolymer, polyvinylidene A preferred example is a fluoride-perfluorocarbon sulfonic acid-based polymer.

前記炭化水素系電解質として、具体的には、ポリスルホンスルホン酸、ポリアリールエーテルケトンスルホン酸、ポリベンズイミダゾールアルキルスルホン酸、ポリベンズイミダゾールアルキルホスホン酸、ポリスチレンスルホン酸、ポリエーテルエーテルケトンスルホン酸、ポリフェニルスルホン酸等が好適な一例として挙げられる。   Specific examples of the hydrocarbon electrolyte include polysulfone sulfonic acid, polyaryl ether ketone sulfonic acid, polybenzimidazole alkyl sulfonic acid, polybenzimidazole alkyl phosphonic acid, polystyrene sulfonic acid, polyether ether ketone sulfonic acid, polyphenyl. A suitable example is sulfonic acid.

高分子電解質は、耐熱性、化学的安定性などに優れることから、フッ素原子を含むのが好ましく、なかでも、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)などのフッ素系電解質が好ましく挙げられる。   The polymer electrolyte preferably contains a fluorine atom because of its excellent heat resistance and chemical stability. Among them, Nafion (registered trademark, manufactured by DuPont), Aciplex (registered trademark, manufactured by Asahi Kasei Co., Ltd.) Fluorine electrolytes such as Flemion (registered trademark, manufactured by Asahi Glass Co., Ltd.) are preferred.

また、導電性担体への触媒成分の担持は公知の方法で行うことができる。例えば、含浸法、液相還元担持法、蒸発乾固法、コロイド吸着法、噴霧熱分解法、逆ミセル(マイクロエマルジョン法)などの公知の方法が使用できる。または、電極触媒は、市販品を用いてもよい。   The catalyst component can be supported on the conductive carrier by a known method. For example, known methods such as impregnation method, liquid phase reduction support method, evaporation to dryness method, colloid adsorption method, spray pyrolysis method, reverse micelle (microemulsion method) can be used. Alternatively, a commercially available electrode catalyst may be used.

本発明の方法では、上記したような電極触媒、高分子電解質及び溶剤からなる触媒インクを、高分子電解質膜表面(あるいはガスケット層を部分的に被覆するような状態で高分子電解質膜表面)に塗布することによって、触媒層が形成される。この際、溶剤としては、特に制限されず、触媒層を形成するのに使用される通常の溶剤が同様にして使用できる。具体的には、水、シクロヘキサノールやエタノールや2−プロパノール等の低級アルコールが使用できる。また、溶剤の使用量もまた、特に制限されず公知と同様の量が使用できる。触媒インクにおいて、電極触媒は、所望の作用、即ち、水素の酸化反応(アノード側)及び酸素の還元反応(カソード側)を触媒する作用を十分発揮できる量であればいずれの量で、使用されてもよい。電極触媒が、触媒インク中、5〜30質量%、より好ましくは9〜20質量%となるような量で存在することが好ましい。   In the method of the present invention, the catalyst ink comprising the electrode catalyst, the polymer electrolyte and the solvent as described above is applied to the surface of the polymer electrolyte membrane (or the surface of the polymer electrolyte membrane with the gasket layer partially covered). By applying, a catalyst layer is formed. In this case, the solvent is not particularly limited, and usual solvents used for forming the catalyst layer can be used in the same manner. Specifically, water, lower alcohols such as cyclohexanol, ethanol and 2-propanol can be used. Further, the amount of the solvent used is not particularly limited, and a known amount can be used. In the catalyst ink, the electrocatalyst is used in any amount as long as it can sufficiently exhibit the desired action, that is, the action of catalyzing the oxidation reaction of hydrogen (anode side) and the reduction reaction of oxygen (cathode side). May be. It is preferable that the electrode catalyst is present in the catalyst ink in an amount of 5 to 30% by mass, more preferably 9 to 20% by mass.

本発明の触媒インクは、増粘剤を含んでもよい。増粘剤の使用は、触媒インクが転写用台紙上にうまく塗布できない場合などに有効である。この際使用できる増粘剤は、特に制限されず、公知の増粘剤が使用できるが、例えば、グリセリン、エチレングリコール(EG)、ポリビニルアルコール(PVA)、プロピレングリコール(PG)などが挙げられる。増粘剤を使用する際の、増粘剤の添加量は、本発明の上記効果を妨げない程度の量であれば特に制限されないが、触媒インクの全質量に対して、好ましくは5〜20質量%である。   The catalyst ink of the present invention may contain a thickener. The use of a thickener is effective when the catalyst ink cannot be successfully applied onto a transfer mount. The thickener that can be used in this case is not particularly limited, and a known thickener can be used. Examples thereof include glycerin, ethylene glycol (EG), polyvinyl alcohol (PVA), and propylene glycol (PG). The amount of the thickener added when the thickener is used is not particularly limited as long as it does not interfere with the above effect of the present invention, but is preferably 5 to 20 with respect to the total mass of the catalyst ink. % By mass.

本発明の触媒インクは、電極触媒、電解質及び溶剤、ならびに必要であれば撥水性高分子および/または増粘剤、が適宜混合されたものであればその調製方法は特に制限されない。例えば、電解質を極性溶媒に添加し、この混合液を加熱・攪拌して、電解質を極性溶媒に溶解した後、これに電極触媒を添加することによって、触媒インクが調製できる。または、電解質を、溶剤中に一旦分散/懸濁された後、上記分散/懸濁液を電極触媒と混合して、触媒インクを調製してもよい。また、電解質が予め上記他の溶媒中に調製されている市販の電解質溶液(例えば、デュポン製のNafion溶液:1−プロパノール中に5wt%の濃度でNafionが分散/懸濁したもの)をそのまま上記方法に使用してもよい。   The catalyst ink of the present invention is not particularly limited in its preparation method as long as an electrode catalyst, an electrolyte and a solvent, and if necessary, a water-repellent polymer and / or a thickener are appropriately mixed. For example, a catalyst ink can be prepared by adding an electrolyte to a polar solvent, heating and stirring the mixed solution to dissolve the electrolyte in the polar solvent, and then adding an electrode catalyst thereto. Alternatively, after the electrolyte is once dispersed / suspended in a solvent, the dispersion / suspension may be mixed with an electrode catalyst to prepare a catalyst ink. In addition, a commercially available electrolyte solution (for example, DuPont Nafion solution: Nafion dispersed / suspended at a concentration of 5 wt% in 1-propanol) in which the electrolyte is previously prepared in the above other solvent is used as it is. May be used in the method.

上記したような触媒インクを、高分子電解質膜上に、あるいはガスケット層の一部を被覆しながら高分子電解質膜上に、塗布して、各触媒層が形成される。この際、高分子電解質膜上へのカソード/アノード触媒層の形成条件は、特に制限されず、公知の方法が同様にしてあるいは適宜修飾を加えて使用できる。例えば、触媒インクを高分子電解質膜上に、乾燥後の厚みが0.1〜100μm、より好ましくは5〜20μmになるように、塗布し、真空乾燥機内にてまたは減圧下で、25〜150℃、より好ましくは60〜120℃で、5〜30分間、より好ましくは10〜20分間、乾燥する。なお、上記工程において、触媒層の厚みが十分でない場合には、所望の厚みになるまで、上記塗布・乾燥工程を繰り返す。なお、触媒層の厚さが0.1μm以上であると所望する発電量が得られる点で好ましく、100μm以下であると高出力を維持できる。   Each catalyst layer is formed by applying the catalyst ink as described above on the polymer electrolyte membrane or on the polymer electrolyte membrane while covering a part of the gasket layer. At this time, the conditions for forming the cathode / anode catalyst layer on the polymer electrolyte membrane are not particularly limited, and can be used in the same manner as known methods or appropriately modified. For example, the catalyst ink is applied onto the polymer electrolyte membrane so that the thickness after drying is 0.1 to 100 μm, more preferably 5 to 20 μm, and 25 to 150 in a vacuum dryer or under reduced pressure. C., more preferably 60 to 120.degree. C., for 5 to 30 minutes, more preferably for 10 to 20 minutes. In addition, in the said process, when the thickness of a catalyst layer is not enough, the said application | coating and drying process is repeated until it becomes desired thickness. In addition, it is preferable at the point from which the desired electric power generation amount is obtained as the thickness of a catalyst layer is 0.1 micrometer or more, and a high output can be maintained as it is 100 micrometers or less.

上記したようにして得られた触媒層上に、本発明のガス拡散層が載置される。   The gas diffusion layer of the present invention is placed on the catalyst layer obtained as described above.

(C)セパレータ
アノード及びカソードセパレータとしては、カーボンペーパー、カーボンクロス、緻密カーボングラファイト、炭素板等のカーボン製や、ステンレス等の金属製のものなど、特に制限されるものではなく、従来公知のものを用いることができる。また、前記セパレータ25a、25bは、空気と燃料ガスとを分離する機能を有するものであり、それらの流路を確保するために所望の形状に加工されたガス流路(溝)26a、26bが形成されているのが望ましく、従来公知の技術を適宜利用することができる。セパレータ25a、25bの厚さや大きさ、ガス流路溝26a、26bの形状などについては、特に限定されず、得られる燃料電池の出力特性などを考慮して適宜決定すればよい。
(C) Separator The anode and cathode separators are not particularly limited, such as carbon paper, carbon cloth, dense carbon graphite, carbon plates, etc., and metals such as stainless steel, and are conventionally known. Can be used. The separators 25a and 25b have a function of separating air and fuel gas, and gas flow paths (grooves) 26a and 26b processed into a desired shape in order to secure the flow paths are provided. It is desirable that it is formed, and conventionally known techniques can be used as appropriate. The thicknesses and sizes of the separators 25a and 25b, the shapes of the gas flow channel grooves 26a and 26b, and the like are not particularly limited, and may be appropriately determined in consideration of output characteristics of the obtained fuel cell.

(D)ガスケット
上記ガスケット27は、気体、特に酸素や水素ガスに対して不透過であればよいが、一般的には、ガス不透過材料からなるOリングなどの単一の不透過部により構成されていればよい。さらに、必要に応じて、電解質膜21や酸素極及び燃料極触媒層22a、22bのエッジとの接着を目的とする接着部を設けてなる、接着剤付きのガスシールテープ等のような複合的な構成としてもよい。Oリングやガスシールテープの不透過部を構成する材料は、設置後に所定の圧力がかかった状態で、酸素や水素ガスに対して不透過性を示すものであれば特に制限されない。
(D) Gasket The gasket 27 may be impermeable to gas, particularly oxygen or hydrogen gas, but generally includes a single impermeable portion such as an O-ring made of a gas impermeable material. It only has to be done. Further, if necessary, a composite such as a gas seal tape with an adhesive, which is provided with an adhesive portion for adhesion to the electrolyte membrane 21 and the edges of the oxygen electrode and the fuel electrode catalyst layers 22a and 22b. It is good also as a simple structure. There are no particular limitations on the material that forms the impervious portion of the O-ring or gas seal tape as long as it is impervious to oxygen and hydrogen gas in a state where a predetermined pressure is applied after installation.

こうした不透過部を構成する材料のうち、Oリングを構成する材料としては、例えば、フッ素ゴム、シリコンゴム、エチレンプロピレンゴム(EPDM)、ポリイソブチレンゴム等のゴム材料、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)等のフッ素系の高分子材料、ポリオレフィンやポリエステル等の熱可塑性樹脂などが挙げられる。   Among the materials constituting the impervious portion, examples of the material constituting the O-ring include rubber materials such as fluorine rubber, silicon rubber, ethylene propylene rubber (EPDM), polyisobutylene rubber, and polytetrafluoroethylene (PTFE). , Fluorine polymer materials such as polyvinylidene fluoride (PVDF), polyhexafluoropropylene, tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer (FEP), and thermoplastic resins such as polyolefin and polyester.

一方、ガスシールテープ等の不透過部を構成する材料としては、例えば、ポリエチレンナフタレート(PEN)、ポリエチレンテレフタレート(PET)、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)などが挙げられる。また、ガスシールテープ等の接着部を構成する材料としては、電解質膜21や酸素極及び燃料極触媒層22a、22bと、ガスケット27を密接に接着できるものであれば特に制限されない。例えば、ポリオレフィン、ポリプロピレン、熱可塑性エラストマー等のホットメルト系接着剤、アクリル系接着剤、ポリエステル、ポリオレフィン等のオレフィン系接着剤などが使用できる。   On the other hand, examples of the material constituting the impermeable portion such as a gas seal tape include polyethylene naphthalate (PEN), polyethylene terephthalate (PET), polytetrafluoroethylene (PTFE), and polyvinylidene fluoride (PVdF). . In addition, the material constituting the bonding portion such as a gas seal tape is not particularly limited as long as the electrolyte membrane 21, the oxygen electrode and the fuel electrode catalyst layers 22a and 22b, and the gasket 27 can be closely bonded. For example, hot melt adhesives such as polyolefin, polypropylene, and thermoplastic elastomer, acrylic adhesives, olefin adhesives such as polyester and polyolefin, and the like can be used.

上記ガスケット27の形成方法は、特に制限されず、公知の方法が使用できる。例えば、電解質膜21上に、あるいは触媒層22のエッジを被覆しながら電解質膜21上に、上記接着剤を、5〜30μmの厚みになるように塗布する。その後、上記したようなガス不透過材料を10〜200μmの厚みになるように塗布し、これを25〜150℃で、10秒〜10分間加熱することによって硬化させる方法が使用できる。または、予め、ガス不透過材料をシート状に成形した後に、この不透過膜に接着剤を塗布して、ガスケット27を形成した後、これを電解質膜21上に、あるいはガスケット27の一部を被覆しながら電解質膜21上に、貼り合わせてもよい。この際、不透過部の厚みは、特に制限されないが、15〜40μmが好ましい。また、接着部の厚みは、特に制限されないが、10〜25μmが好ましい。   The method for forming the gasket 27 is not particularly limited, and a known method can be used. For example, the adhesive is applied on the electrolyte membrane 21 or on the electrolyte membrane 21 while covering the edges of the catalyst layer 22 so as to have a thickness of 5 to 30 μm. Thereafter, a method of applying the gas-impermeable material as described above to a thickness of 10 to 200 μm and curing it by heating at 25 to 150 ° C. for 10 seconds to 10 minutes can be used. Alternatively, after a gas-impermeable material is formed into a sheet shape in advance, an adhesive is applied to the impermeable film to form a gasket 27, which is then placed on the electrolyte membrane 21 or a part of the gasket 27. You may affix on the electrolyte membrane 21, covering. At this time, the thickness of the impermeable portion is not particularly limited, but is preferably 15 to 40 μm. The thickness of the adhesive part is not particularly limited, but is preferably 10 to 25 μm.

上記ガスケット27については、市販のものを購入して用いてもよい。ここでいう市販のものには、購入者側の仕様(寸法、形状、材料、特性など)に応じてメーカーが製造したような発注品ないし特注品等も含まれるものとする。   About the said gasket 27, you may purchase and use a commercially available thing. The commercial items mentioned here include ordered items or custom-made items manufactured by the manufacturer according to the specifications (size, shape, material, characteristics, etc.) on the purchaser side.

本発明のMEA24の構成を有する燃料電池において、触媒層22、GDL23、および電解質膜21の厚さは、燃料ガスの拡散性などを向上させるには薄い方が望ましいが、薄すぎると十分な電極出力が得られない。従って、所望の特性を有するMEA(燃料電池)が得られるように適宜決定すればよい。   In the fuel cell having the configuration of the MEA 24 of the present invention, the catalyst layer 22, the GDL 23, and the electrolyte membrane 21 are desirably thin to improve the diffusibility of the fuel gas. No output is obtained. Therefore, it may be determined as appropriate so as to obtain an MEA (fuel cell) having desired characteristics.

また、本発明の燃料電池は、上記の電極触媒層22を内側、GDL23を外側とし、電解質膜21を用い、該電解質膜21を両側から触媒層22で挟んで、適当にホットプレスすることによりMEA24を作製することができる。   Further, the fuel cell of the present invention has the above-described electrode catalyst layer 22 on the inside, GDL 23 on the outside, uses the electrolyte membrane 21, sandwiches the electrolyte membrane 21 between the catalyst layers 22 from both sides, and performs appropriate hot pressing. The MEA 24 can be manufactured.

かかるホットプレス条件としては、適当な温度、圧力を設定するのが望ましい。具体的には、130〜200℃、好ましくは140〜160℃に加温し、1MPa〜5MPa、好ましくは2MPa〜4MPaで1〜10分間、好ましくは3〜7分間、ホットプレスするのが望ましい。ホットプレス温度が130℃以上であれば(膜の軟化が見られ、接合が容易である。またホットプレス温度が200℃以下であれば、膜の分解が防げる。また、ホットプレス圧が1MPa以上であれば、接合が容易である。またホットプレス圧が5MPa以下であれば、膜の穴あきなどの不具合が防止できる。更にホットプレス時間が1分間以上であれば、接合が容易である。またホットプレス時間が10分間以下であれば、膜の穴あきなどの不具合が防止できる。また、ホットプレスの際の雰囲気は、MEAに影響を及ぼさない雰囲気で行うのが望ましく、窒素中などの雰囲気で行うのが望ましい。   As such hot press conditions, it is desirable to set appropriate temperature and pressure. Specifically, it is desirable to heat to 130 to 200 ° C., preferably 140 to 160 ° C., and hot press at 1 MPa to 5 MPa, preferably 2 MPa to 4 MPa for 1 to 10 minutes, preferably 3 to 7 minutes. If the hot press temperature is 130 ° C. or higher (the film is softened and bonding is easy. If the hot press temperature is 200 ° C. or lower, the film can be prevented from being decomposed. Also, the hot press pressure is 1 MPa or higher. If the hot press pressure is 5 MPa or less, problems such as film perforation can be prevented, and if the hot press time is 1 minute or longer, joining is easy. In addition, if the hot press time is 10 minutes or less, it is possible to prevent defects such as film perforations, etc. The atmosphere during hot pressing is preferably an atmosphere that does not affect the MEA, such as in nitrogen. It is desirable to carry out in an atmosphere.

また、本発明の燃料電池の製造方法としては、特に制限されるものではなく、従来公知の製造技術を用いて組み立てることができる。例えば、触媒インクを電解質膜上に塗布・乾燥させた後ホットプレスして、電極触媒層を電解質膜と接合し、得られた接合体をガス拡散層で挟持して、MEAとする方法;触媒インクを、前記ガス拡散層上に塗布・乾燥させて電極触媒層を形成し、これを電解質膜とホットプレスにより接合する方法、などであってもよく各種公知技術を適宜用いて行えばよい。   In addition, the method for producing the fuel cell of the present invention is not particularly limited, and can be assembled using a conventionally known production technique. For example, a catalyst ink is applied and dried on an electrolyte membrane, followed by hot pressing, the electrode catalyst layer is joined to the electrolyte membrane, and the resulting joined body is sandwiched between gas diffusion layers to form MEA; Ink may be applied to the gas diffusion layer and dried to form an electrode catalyst layer, which may be joined to the electrolyte membrane by hot pressing, or any other known technique may be used as appropriate.

本発明の燃料電池の種類としては、特に限定されず、上記した説明中では高分子電解質形燃料電池を例に挙げて説明したが、この他にも、アルカリ型燃料電池、ダイレクトメタノール型燃料電池、マイクロ燃料電池などが挙げられる。なかでも小型かつ高密度・高出力化が可能であるから、高分子電解質形燃料電池(PEFC)が好ましく挙げられる。また、前記燃料電池は、搭載スペースが限定される車両などの移動体用電源の他、定置用電源などとして有用であるが、特にシステムの起動/停止や出力変動が頻繁に発生する自動車用途で特に好適に使用できる。   The type of the fuel cell of the present invention is not particularly limited. In the above description, the polymer electrolyte fuel cell has been described as an example, but other than that, an alkaline fuel cell and a direct methanol fuel cell are used. And a micro fuel cell. Among them, a polymer electrolyte fuel cell (PEFC) is preferable because it is small and can achieve high density and high output. The fuel cell is useful as a stationary power source in addition to a power source for a moving body such as a vehicle in which a mounting space is limited. However, the fuel cell is particularly useful for an automobile application in which system start / stop and output fluctuation frequently occur. It can be particularly preferably used.

前記燃料電池の適用用途は特に限定されるものではないが、車両に適用することが好ましい。本発明の電解質膜−電極接合体は、発電性能および耐久性に優れ、小型化が実現可能である。このため、本発明の燃料電池は、車載性の点から、車両に該燃料電池を適用した場合、特に有利である。   The application of the fuel cell is not particularly limited, but it is preferably applied to a vehicle. The electrolyte membrane-electrode assembly of the present invention is excellent in power generation performance and durability, and can be downsized. For this reason, the fuel cell of this invention is especially advantageous when this fuel cell is applied to a vehicle from the point of in-vehicle property.

特に、前記高分子電解質形燃料電池は、定置用電源の他、搭載スペースが限定される自動車などの移動体用電源などとして有用である。なかでも、比較的長時間の運転停止後に高い出力電圧が要求される自動車などの移動体用電源として用いられるのが特に好ましい。   In particular, the polymer electrolyte fuel cell is useful as a power source for a mobile body such as an automobile in which a mounting space is limited in addition to a stationary power source. In particular, it is particularly preferable to be used as a power source for a mobile body such as an automobile that requires a high output voltage after a relatively long time of operation stop.

本発明の効果を、以下の実施例および比較例を用いて説明する。ただし、本発明の技術的範囲が以下の実施例のみに制限されるわけではない。   The effects of the present invention will be described using the following examples and comparative examples. However, the technical scope of the present invention is not limited only to the following examples.

実施例1
1.ガス拡散基材層
カーボンペーパー(東レ社製、カーボンペーパーTGP−H−060)を10cm角に切り出した後、エタノール中に浸漬し超音波洗浄装置に投入し、洗浄処理した。洗浄後、80℃の乾燥炉中に投入し、約10分乾燥した。
Example 1
1. Gas diffusion base material layer Carbon paper (manufactured by Toray Industries, Inc., carbon paper TGP-H-060) was cut into 10 cm square, immersed in ethanol, put into an ultrasonic cleaning device, and washed. After washing, it was put into a drying furnace at 80 ° C. and dried for about 10 minutes.

2.インクの調製
界面活性剤(ダウケミカル社製、Triton X−100)2gと、純水200gとを混合し、プロペラ攪拌装置にて150rpm、30分間、攪拌処理を行なった。次に、この界面活性剤分散水溶液に、アセチレンブラック(電気化学工業社製)5gを投入・混合し、プロペラ攪拌装置にて150rpm、30分間、攪拌処理を行なった。このスラリーを、カーボン平均粒径が1μmとなるように、ジェットミルを用いて粉砕処理を施した。上記スラリーに、非イオン性多孔体(松下電工社製、疎水性シリカエアロゲル SP−30)の小片0.1gを投入した。その後、このスラリーをホモジナイザーにて再粉砕し、ポリテトラフルオロエチレン(ダイキン工業製、Polyflon D−1E)1gを投入・混合した。さらに、この混合スラリーを、プロペラ攪拌装置にて150rpm、30分の攪拌処理を行なった後、増粘剤を適量投入攪拌し、塗着用インクスラリーを調製した。
2. Preparation of Ink 2 g of a surfactant (manufactured by Dow Chemical Co., Triton X-100) and 200 g of pure water were mixed and stirred with a propeller stirrer at 150 rpm for 30 minutes. Next, 5 g of acetylene black (manufactured by Denki Kagaku Kogyo Co., Ltd.) was added to and mixed with this surfactant-dispersed aqueous solution, and stirred at 150 rpm for 30 minutes with a propeller stirring device. The slurry was pulverized using a jet mill so that the average carbon particle diameter was 1 μm. 0.1 g of a small piece of a nonionic porous material (manufactured by Matsushita Electric Works, hydrophobic silica airgel SP-30) was added to the slurry. Thereafter, the slurry was pulverized again with a homogenizer, and 1 g of polytetrafluoroethylene (manufactured by Daikin Industries, Polyflon D-1E) was added and mixed. Further, this mixed slurry was stirred at 150 rpm for 30 minutes with a propeller stirrer, and then an appropriate amount of a thickener was added and stirred to prepare an ink slurry for coating.

3.ガス拡散層の作製
上記1.で得られたカーボンペーパ上に、上記2.で作製されたインクスラリーを、乾燥後の膜厚が50μmとなるように、ナイフコータを用いて塗工した後、80℃で、15分間、乾燥した後、さらに350℃で、30分間、焼成処理を行なった。
3. Production of gas diffusion layer On the carbon paper obtained in the above 2. The ink slurry prepared in step 1 was applied using a knife coater so that the film thickness after drying was 50 μm, then dried at 80 ° C. for 15 minutes, and then further heated at 350 ° C. for 30 minutes. Was done.

実施例2
1.ガス拡散基材層
実施例1 1.と同様にしてガス拡散基材層を得た。
Example 2
1. Gas Diffusion Substrate Layer Example 1 In the same manner as described above, a gas diffusion base material layer was obtained.

2.インクの調製
界面活性剤(ダウケミカル社製、Triton X−100)2gと、純水200gとを混合し、プロペラ攪拌装置にて150rpm、30分間、攪拌処理を行なった。次に、この界面活性剤分散水溶液に、アセチレンブラック(電気化学工業社製)5gを投入・混合し、プロペラ攪拌装置にて150rpm、30分間、攪拌処理を行なった。このスラリーを、カーボン平均粒径が1μmとなるように、ジェットミルを用いて粉砕処理を施した。上記スラリーに、ホウ酸の粉末(和光純薬工業社製)5gを投入・混合した。その後、このスラリーをホモジナイザーにて再粉砕し、ポリテトラフルオロエチレン(ダイキン工業製、Polyflon D−1E)1gを投入・混合した。さらに、この混合スラリーを、プロペラ攪拌装置にて150rpm、30分の攪拌処理を行なった後、増粘剤を適量投入攪拌し、塗着用インクスラリーを調製した。
2. Preparation of Ink 2 g of a surfactant (manufactured by Dow Chemical Co., Triton X-100) and 200 g of pure water were mixed and stirred with a propeller stirrer at 150 rpm for 30 minutes. Next, 5 g of acetylene black (manufactured by Denki Kagaku Kogyo Co., Ltd.) was added to and mixed with this surfactant-dispersed aqueous solution, and stirred at 150 rpm for 30 minutes with a propeller stirring device. The slurry was pulverized using a jet mill so that the average carbon particle diameter was 1 μm. 5 g of boric acid powder (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) was added to and mixed with the slurry. Thereafter, the slurry was pulverized again with a homogenizer, and 1 g of polytetrafluoroethylene (manufactured by Daikin Industries, Polyflon D-1E) was added and mixed. Further, this mixed slurry was stirred at 150 rpm for 30 minutes with a propeller stirrer, and then an appropriate amount of a thickener was added and stirred to prepare an ink slurry for coating.

3.ガス拡散層の作製
上記1.で得られたカーボンペーパ上に、上記2.で作製されたインクスラリーを、乾燥後の膜厚が50μmとなるように、ナイフコータを用いて塗工した後、80℃で、15分間、乾燥した後、さらに350℃で、30分間、焼成処理を行なった。
3. Production of gas diffusion layer On the carbon paper obtained in the above 2. The ink slurry prepared in step 1 was applied using a knife coater so that the film thickness after drying was 50 μm, then dried at 80 ° C. for 15 minutes, and then further heated at 350 ° C. for 30 minutes. Was done.

次に、このようにして得られたガス拡散層を、過剰量の水中で攪拌しながら十分浸漬処理を行なった。   Next, the gas diffusion layer thus obtained was sufficiently immersed while being stirred in an excessive amount of water.

比較例1
1.ガス拡散基材層
実施例1 1.と同様にしてガス拡散基材層を得た。
Comparative Example 1
1. Gas Diffusion Substrate Layer Example 1 In the same manner as described above, a gas diffusion base material layer was obtained.

2.インクの調製
界面活性剤(ダウケミカル社製、Triton X−100)2gと、純水200gとを混合し、プロペラ攪拌装置にて150rpm、30分間、攪拌処理を行なった。次に、この界面活性剤分散水溶液に、アセチレンブラック(電気化学工業社製)5gを投入・混合し、プロペラ攪拌装置にて150rpm、30分間、攪拌処理を行なった。このスラリーを、カーボン平均粒径が1μmとなるように、ジェットミルを用いて粉砕処理を施した。さらに、上記スラリーに、ポリテトラフルオロエチレン(ダイキン工業製、Polyflon D−1E)1gを投入・混合した。さらに、この混合スラリーを、プロペラ攪拌装置にて150rpm、30分の攪拌処理を行なった後、増粘剤を適量投入攪拌し、塗着用インクスラリーを調製した。
2. Preparation of Ink 2 g of a surfactant (manufactured by Dow Chemical Co., Triton X-100) and 200 g of pure water were mixed and stirred with a propeller stirrer at 150 rpm for 30 minutes. Next, 5 g of acetylene black (manufactured by Denki Kagaku Kogyo Co., Ltd.) was added to and mixed with this surfactant-dispersed aqueous solution, and stirred at 150 rpm for 30 minutes with a propeller stirring device. The slurry was pulverized using a jet mill so that the average carbon particle diameter was 1 μm. Furthermore, 1 g of polytetrafluoroethylene (manufactured by Daikin Industries, Polyflon D-1E) was added to and mixed with the slurry. Further, this mixed slurry was stirred at 150 rpm for 30 minutes with a propeller stirrer, and then an appropriate amount of a thickener was added and stirred to prepare an ink slurry for coating.

3.ガス拡散層の作製
上記1.で得られたカーボンペーパ上に、上記2.で作製されたインクスラリーを、乾燥後の膜厚が50μmとなるように、ナイフコータを用いて塗工した後、80℃で、15分間、乾燥した後、さらに350℃で、30分間、焼成処理を行なった。
3. Production of gas diffusion layer On the carbon paper obtained in the above 2. The ink slurry prepared in step 1 was applied using a knife coater so that the film thickness after drying was 50 μm, then dried at 80 ° C. for 15 minutes, and then further heated at 350 ° C. for 30 minutes. Was done.

<空孔分布分析>
上記実施例1、2および比較例1で得られたマイクロポーラス層について、水銀圧入法により空孔分布スペクトルを分析した。その結果を、図3に示す。
<Void distribution analysis>
With respect to the microporous layers obtained in Examples 1 and 2 and Comparative Example 1, the pore distribution spectrum was analyzed by mercury porosimetry. The result is shown in FIG.

図3から、実施例1、2で得られた本発明のマイクロポーラス層では、5〜15μmの空孔径範囲に存在する第1の空孔分布中心および0.2〜0.5μmの空孔径範囲に存在する第2の空孔分布中心が存在することが分かる。 From FIG. 3, in the microporous layers of the present invention obtained in Examples 1 and 2, the first pore distribution center existing in the pore diameter range of 5 to 15 μm and the pore diameter range of 0.2 to 0.5 μm that the second hole distribution centers present to exist Ru divided.

<発電性能評価>
上記実施例1、2および比較例1で得られたガス拡散層について、下記方法にしたがって、発電性を評価した。
<Evaluation of power generation performance>
For the gas diffusion layers obtained in Examples 1 and 2 and Comparative Example 1, the power generation performance was evaluated according to the following method.

市販のNafion溶液(アルドリッチ社製5質量%溶液)に、Pt担持カーボン(白金担持量:50質量%)の微粒子を、カーボンとNafionの質量比がカーボン:Nafion=1:0.8となるように混合した後、ホモジナイザー(粉砕器)に3時間ほどかけてカソード用触媒インクを作製した。カソード用触媒インクと同様の手順でアノード用触媒インクを作製した。   In a commercially available Nafion solution (Aldrich 5% by mass solution), fine particles of Pt-supported carbon (platinum supported amount: 50% by mass) are set so that the mass ratio of carbon to Nafion is carbon: Nafion = 1: 0.8. Then, a cathode catalyst ink was prepared in a homogenizer (pulverizer) for about 3 hours. An anode catalyst ink was prepared in the same procedure as the cathode catalyst ink.

前記のように調製したインクを、スクリーンプリンタを使用して、台紙として使用するテフロンシート上に塗布して、カソード用およびアノード用触媒層転写シートを作製した。台紙としてはテフロンシートの他にPET(ポリエチレンテレフタレート)シートなどが優れている。Pt担持量が0.4mg/cmとなるまで塗布、乾燥を繰り返すことで、所定白金量の触媒層転写シートを作製した。 The ink prepared as described above was applied onto a Teflon sheet used as a mount using a screen printer to prepare a catalyst layer transfer sheet for cathode and anode. As the mount, a PET (polyethylene terephthalate) sheet or the like is excellent in addition to the Teflon sheet. Coating and drying were repeated until the Pt carrying amount reached 0.4 mg / cm 2 to prepare a catalyst layer transfer sheet having a predetermined platinum amount.

前記のように作製したカソード用およびアノード用触媒層転写シートの触媒層面にエタノールをスプレーして浸潤させ、触媒層表面が乾燥してきたところで、これらの転写シートで作製した電解質膜を挟み込んだ。その後、130℃、6.5MPa、保持時間10分にてホットプレスを行なった。エタノールで浸潤させるのは、触媒層および膜の電解質を柔軟にさせ、触媒層の転写を容易にするためである。冷却後、転写シートの台紙をはがし、電解質膜−電極接合体を作製した。   Ethanol was sprayed and infiltrated on the catalyst layer surfaces of the cathode and anode catalyst layer transfer sheets prepared as described above, and when the catalyst layer surface was dried, the electrolyte membranes prepared with these transfer sheets were sandwiched. Thereafter, hot pressing was performed at 130 ° C., 6.5 MPa, and a holding time of 10 minutes. The reason for infiltrating with ethanol is to make the catalyst layer and membrane electrolyte flexible and to facilitate the transfer of the catalyst layer. After cooling, the mount of the transfer sheet was peeled off to produce an electrolyte membrane-electrode assembly.

このようにして作製された電解質膜−電極接合体の両面側に、ガス拡散層として、それぞれ、上記実施例1、2および比較例1のガス拡散層と、ガス流路付きガスセパレータとを各々配置した。さらに金メッキしたステンレス製集電板により挟持して、評価用単位セルとした。なお、評価用単セルの、アノード側に燃料として水素を供給し、カソード側には酸化剤として空気を供給した。また、評価条件は、S.R.=1.5/2.5、セル温度70℃で、R.H.=20%/20%である。   As the gas diffusion layer, the gas diffusion layers of Examples 1 and 2 and Comparative Example 1 and the gas separator with gas flow path were respectively formed on both sides of the electrolyte membrane-electrode assembly thus manufactured. Arranged. Further, it was sandwiched between gold-plated stainless steel current collector plates to form unit cells for evaluation. In the evaluation unit cell, hydrogen was supplied as fuel to the anode side, and air was supplied as the oxidant to the cathode side. The evaluation conditions are S.I. R. = 1.5 / 2.5, cell temperature 70 ° C, R.I. H. = 20% / 20%.

結果を図4に示す。図4から、実施例1、2の本発明のガス拡散層を用いた電解質膜−電極接合体は、比較例1の従来のガス拡散層を用いたものに比して、1A/cm以上の高電流密度域でも、電圧の低下を有意に抑制することが分かる。 The results are shown in FIG. From FIG. 4, the electrolyte membrane-electrode assembly using the gas diffusion layer of the present invention of Examples 1 and 2 is 1 A / cm 2 or more as compared with the conventional gas diffusion layer of Comparative Example 1 used. It can be seen that the voltage drop is significantly suppressed even in the high current density region.

本発明のガス拡散層を模式的に表した断面概略図である。It is the cross-sectional schematic which represented the gas diffusion layer of this invention typically. 本発明の燃料電池の基本構成(単セル構成)を模式的に表した断面概略図である。1 is a schematic cross-sectional view schematically showing a basic configuration (single cell configuration) of a fuel cell according to the present invention. 実施例1、2および比較例1で作製されたマイクロポーラス層の空孔分布スペクトルである。2 is a pore distribution spectrum of a microporous layer produced in Examples 1 and 2 and Comparative Example 1. FIG. 実施例1、2および比較例1で作製されたガス拡散層を有する電解質膜−電極接合体の発電性能評価結果を示すグラフである。It is a graph which shows the electric power generation performance evaluation result of the electrolyte membrane-electrode assembly which has the gas diffusion layer produced in Examples 1, 2 and Comparative Example 1.

符号の説明Explanation of symbols

1…ガス拡散層、
2…マイクロポーラス層、
3…ガス拡散基材層、
20…燃料電池セル、
21…電解質膜、
22…燃料電池電極触媒層、
22a…アノード触媒層、
22b…カソード触媒層、
23…ガス拡散層、
23a…アノードガス拡散層、
23b…カソードガス拡散層、
24…電解質膜−電極接合体(MEA)、
25a…アノードセパレータ、
25b…カソードセパレータ、
26a…アノード側ガス流路(溝)、
26b…カソード側ガス流路(溝)、
27…ガスケット。
1 ... Gas diffusion layer,
2 ... Microporous layer,
3 ... gas diffusion base material layer,
20 ... Fuel cell,
21 ... electrolyte membrane,
22 ... Fuel cell electrode catalyst layer,
22a ... anode catalyst layer,
22b ... cathode catalyst layer,
23 ... Gas diffusion layer,
23a ... anode gas diffusion layer,
23b ... cathode gas diffusion layer,
24 ... electrolyte membrane-electrode assembly (MEA),
25a ... anode separator,
25b ... cathode separator,
26a ... anode side gas flow path (groove),
26b ... cathode side gas flow path (groove),
27 ... gasket.

Claims (9)

少なくとも2種類の空孔分布中心を持ち、第1の空孔分布中心が5〜15μmの空孔径範囲に存在し、第2の空孔分布中心が0.2〜0.5μmの空孔径範囲に存在する、電解質膜−電極接合体用マイクロポーラス層。 It has at least two types of hole distribution centers, the first hole distribution center is present in the hole diameter range of 5 to 15 μm, and the second hole distribution center is in the hole diameter range of 0.2 to 0.5 μm. An existing microporous layer for an electrolyte membrane-electrode assembly . ガス拡散基材層、および前記ガス拡散基材層上に形成された請求項1に記載の電解質膜−電極接合体用マイクロポーラス層を有する、電解質膜−電極接合体用ガス拡散層。 Gas diffusion substrate layer, and the electrolyte membrane according to claim 1 which is formed on the gas diffusion substrate layer - having the electrode junction-body microporous layer, an electrolyte membrane - electrode assembly-body gas diffusion layer. (i)非イオン性水溶性固体および/または非イオン性多孔体、導電性粒子、疎水剤、および溶媒を混合して、インクを作製し;
(ii)前記(i)で作製したインクをガス拡散基材層に塗布し、焼結することによって、ガス拡散基材層上にマイクロポーラス層を形成する、
ことを有し、
前記非イオン性水溶性固体である場合には、前記(ii)において、焼結を行なった後、水性溶媒で洗い流し、析出した非イオン性水溶性固体を除去する;または
前記非イオン性多孔体である場合には、前記(ii)において、前記(i)で作製したインクを粉砕した後、ガス拡散基材層に塗布する、請求項2に記載の電解質膜−電極接合体用ガス拡散層の製造方法。
(I) A nonionic water-soluble solid and / or a nonionic porous body, conductive particles, a hydrophobic agent, and a solvent are mixed to produce an ink;
(Ii) A microporous layer is formed on the gas diffusion base material layer by applying the ink prepared in the above (i) to the gas diffusion base material layer and sintering it.
Have
In the case of the nonionic water-soluble solid, in the above (ii), after sintering, it is washed away with an aqueous solvent to remove the precipitated nonionic water-soluble solid; or the nonionic porous body In the case (ii), the gas diffusion layer for an electrolyte membrane-electrode assembly according to claim 2, wherein the ink prepared in (i) is pulverized and then applied to the gas diffusion base material layer. Manufacturing method.
前記非イオン性水溶性固体はホウ酸であるおよび/または前記非イオン性多孔体は疎水性シリカである、請求項3に記載の方法。   The method of claim 3, wherein the nonionic water-soluble solid is boric acid and / or the nonionic porous body is hydrophobic silica. 前記非イオン性水溶性固体である場合には、前記(ii)において、インクの塗膜を20〜120℃で5〜120分間乾燥した後、250〜450℃で5〜120分間焼結する;または
前記非イオン性多孔体である場合には、前記(ii)において、前記(i)で作製したインクをホモジナイザーを用いて5〜30分間、粉砕する、請求項3または4に記載の方法。
In the case of the nonionic water-soluble solid, in (ii), the ink coating film is dried at 20 to 120 ° C. for 5 to 120 minutes and then sintered at 250 to 450 ° C. for 5 to 120 minutes; Alternatively, in the case of the nonionic porous material, the method according to claim 3 or 4, wherein in (ii), the ink prepared in (i) is pulverized for 5 to 30 minutes using a homogenizer.
電解質膜と、前記電解質膜の一方の側に順次配置された、カソード触媒層およびカソード側ガス拡散層と、前記電解質膜の他方の側に順次配置された、アノード触媒層およびアノード側ガス拡散層と、を有する電解質膜−電極接合体であって、
前記カソード側ガス拡散層および前記アノード側ガス拡散層の少なくとも一方が、請求項2に記載のガス拡散層または請求項3〜5のいずれか1項に記載の方法によって製造されるガス拡散層である、電解質膜−電極接合体。
An electrolyte membrane, a cathode catalyst layer and a cathode side gas diffusion layer sequentially disposed on one side of the electrolyte membrane, and an anode catalyst layer and an anode side gas diffusion layer sequentially disposed on the other side of the electrolyte membrane An electrolyte membrane-electrode assembly comprising:
At least one of the cathode side gas diffusion layer and the anode side gas diffusion layer is a gas diffusion layer manufactured by the gas diffusion layer according to claim 2 or the method according to any one of claims 3 to 5. An electrolyte membrane-electrode assembly.
少なくともカソード側ガス拡散層が、請求項2に記載のガス拡散層または請求項3〜5のいずれか1項に記載の方法によって製造されるガス拡散層である、請求項6に記載の電解質膜−電極接合体。   The electrolyte membrane according to claim 6, wherein at least the cathode-side gas diffusion layer is the gas diffusion layer according to claim 2 or the gas diffusion layer produced by the method according to any one of claims 3 to 5. An electrode assembly. 請求項6または7に記載の電解質膜−電極接合体を用いてなる燃料電池。   A fuel cell using the electrolyte membrane-electrode assembly according to claim 6 or 7. 請求項8に記載の燃料電池を搭載した車両。   A vehicle equipped with the fuel cell according to claim 8.
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