JP5694638B2 - Gas diffusion layer, membrane-electrode assembly and fuel cell - Google Patents
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Description
この発明は、ガス拡散層、膜−電極接合体及び燃料電池に関するものであり、特に、低湿度下においても発電性能の優れる燃料電池を製造することのできるガス拡散層、膜−電極接合体及び低湿度下においても発電性能の優れる燃料電池に関する。 The present invention relates to a gas diffusion layer, a membrane-electrode assembly, and a fuel cell, and in particular, a gas diffusion layer, a membrane-electrode assembly, and a fuel cell capable of producing a fuel cell having excellent power generation performance even under low humidity. The present invention relates to a fuel cell excellent in power generation performance even under low humidity.
様々な形で利用されているエネルギーについては、石油資源の枯渇に対する懸念から、代替燃料の模索や省資源が重要な課題となっている。その中にあって、種々の燃料を化学エネルギーに変換し、電力として取り出す燃料電池について、活発な開発が続けられている。 Regarding energy used in various forms, exploring alternative fuels and conserving resources are important issues due to concerns over the depletion of petroleum resources. In the midst of this, active development has continued for fuel cells that convert various fuels into chemical energy and extract them as electric power.
燃料電池は、例えば『燃料電池に関する技術動向調査』(非特許文献1)の第5頁に開示されるように、使用される電解質の種類によって、りん酸形燃料電池(PAFC)、溶融炭酸塩形燃料電池(MCFC)、固体酸化形燃料電池(SOFC)、固体高分子形燃料電池(PEFC)の4つに分類される。これら各種の燃料電池は、その電解質に応じて作動温度範囲に制約が有り、PEFCでは100℃以下の低温領域、PAFCでは180〜210℃の中温領域、MCFCでは600℃以上、SOFCは1000℃近くの高温領域で動作することが知られている。このうち、低温領域での出力が可能である一般的なPEFCは、燃料となる水素ガスと酸素ガス(若しくは空気)との化合反応に伴って生じる電力を取り出すが、比較的小型の装置構成で効率的に電力を取り出すことができる点で、実用化が急がれている。 As disclosed in, for example, page 5 of “Technology Trend Survey on Fuel Cells” (Non-Patent Document 1), fuel cells are available depending on the type of electrolyte used, such as phosphoric acid fuel cells (PAFCs), molten carbonates. The fuel cell is classified into four types: a fuel cell (MCFC), a solid oxide fuel cell (SOFC), and a polymer electrolyte fuel cell (PEFC). These various fuel cells have a limited operating temperature range depending on the electrolyte, PEFC has a low temperature range of 100 ° C or lower, PAFC has a medium temperature range of 180-210 ° C, MCFC has a temperature of 600 ° C or higher, and SOFC has a temperature close to 1000 ° C. It is known to operate in the high temperature region. Among these, a general PEFC capable of outputting in a low temperature region takes out electric power generated by a combined reaction between hydrogen gas and oxygen gas (or air) as a fuel, but has a relatively small device configuration. There is an urgent need for practical use in that power can be efficiently extracted.
図1は、従来知られているPEFCの基本構成を示すための、燃料電池の要部断面による模式図である。図中、材質として実質的に同一の構成若しくは機能を有する構成成分には、同一のハッチングを付して示してある。PEFCは、図1に示すような、負極17a、固体高分子膜19及び正極17cからなる膜−電極接合体(MEA)を、1対のバイポーラプレート11a、11cで挟んだセル単位を複数積層した構造からなる。前記負極17aはプロトンと電子とに分解する触媒層15aと、触媒層15aに燃料ガスを供給するガス拡散層13aとからなり、正極17cはプロトン、電子及び酸素ガスとを反応させる触媒層15cと、触媒層15cに酸素ガスを供給するガス拡散層13cとからなる。
FIG. 1 is a schematic diagram of a cross section of a main part of a fuel cell for showing a basic configuration of a conventionally known PEFC. In the figure, components having substantially the same configuration or function as materials are indicated by the same hatching. As shown in FIG. 1, the PEFC has a plurality of cell units in which a membrane-electrode assembly (MEA) composed of a negative electrode 17a, a
前記バイポーラプレート11aは燃料ガスを供給できる溝を有するため、このバイポーラプレート11aの溝を通して燃料ガスを供給すると、燃料ガスはガス拡散層13aを拡散し、触媒層15aに供給される。供給された燃料ガスはプロトンと電子とに分解され、プロトンは固体高分子膜19を移動し、触媒層15cに到達する。他方、電子は図示しない外部回路を通り、正極17cへと移動する。一方、バイポーラプレート11cは酸素含有ガスを供給できる溝を有するため、このバイポーラプレート11cの溝を通して酸素含有ガスを供給すると、酸素含有ガスはガス拡散層13cを拡散し、触媒層15cに供給される。供給された酸素含有ガスは固体高分子膜19を移動したプロトン及び外部回路を通って移動した電子と反応し、水を生成する。
Since the bipolar plate 11a has a groove capable of supplying fuel gas, when the fuel gas is supplied through the groove of the bipolar plate 11a, the fuel gas diffuses through the gas diffusion layer 13a and is supplied to the catalyst layer 15a. The supplied fuel gas is decomposed into protons and electrons, and the protons move through the
このような膜−電極接合体(MEA)のガス拡散層として、直径が17〜90μmの細孔を有するもの(特許文献1)、1μm〜100μmの範囲に存在する第1のピークと、15nm〜1μmの範囲に存在する第2のピークとをもつ気孔分布を有するもの(特許文献2)、5μm〜50μmの間に水の排出パスとなるポア径のピークを有すると共に、100μm及びその近傍の範囲にガスの拡散パスとなるポア径のピークを有するもの(特許文献3)が知られている。これら従来のいずれのガス拡散層においても、1μmを超える大きな細孔直径を有するものであるため、生成された水又は加湿ガスにより供給された水が外部に排出されやすいものであった。前述の通り、PEFCにおいては、プロトンが固体高分子膜を移動するため、プロトンの速やかな移動のためには水分が必要であるが、従来のガス拡散層は水が外部に排出されやすいため、固体高分子膜が乾燥してプロトンが移動しにくく、十分な発電性能を得られない場合があった。プロトンが移動しやすいように、燃料ガス及び/又は酸素含有ガスを十分に加湿するという考え方もあるが、そのためには大型の加湿装置が別途必要になるため、軽量小型化が難しいという問題があった。 As a gas diffusion layer of such a membrane-electrode assembly (MEA), one having pores having a diameter of 17 to 90 μm (Patent Document 1), a first peak existing in the range of 1 μm to 100 μm, and 15 nm to One having a pore distribution having a second peak existing in the range of 1 μm (Patent Document 2), having a pore diameter peak between 5 μm and 50 μm, and a range of 100 μm and the vicinity thereof Further, there is known one having a peak of a pore diameter that serves as a gas diffusion path (Patent Document 3). Since any of these conventional gas diffusion layers has a large pore diameter exceeding 1 μm, the generated water or the water supplied by the humidified gas is easily discharged to the outside. As described above, in PEFC, since protons move through the solid polymer membrane, moisture is necessary for rapid movement of protons, but water is easily discharged to the outside in the conventional gas diffusion layer. In some cases, the solid polymer membrane is dried and protons hardly move, and sufficient power generation performance cannot be obtained. There is a concept of sufficiently humidifying the fuel gas and / or oxygen-containing gas so that protons can easily move, but this requires a large humidifier, which makes it difficult to reduce the weight and size. It was.
本発明は上述の問題点を解決するためになされたものであり、正極で生成した水を内部に留め、固体高分子膜を湿潤に保つことができ、加湿ガスを供給する必要がないか、必要があったとしても小型の加湿機で済み、軽量・小型の燃料電池とすることのできるガス拡散層、膜−電極接合体、及び軽量・小型であることができる燃料電池を提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described problems, water generated in the positive electrode can be kept inside, the solid polymer film can be kept moist, and there is no need to supply a humidified gas, To provide a gas diffusion layer, a membrane-electrode assembly, and a light and small fuel cell that can be made into a light and small fuel cell by using a small humidifier even if necessary. Objective.
本発明の請求項1にかかる発明は、「繊維基材全体にフッ素樹脂と導電剤とが充填されたガス拡散層であり、水銀圧入法により、細孔直径150〜0.003μmの範囲で、下記の順に圧力をかけて測定したLog微分細孔容積分布グラフにおいて、下記に定義するピークを1つだけ有し、そのピークが細孔直径0.01〜1μmの範囲に存在するガス拡散層。
記
圧力;1.5psia、2psia、2.5psia、3psia、3.5psia、4psia、5psia、6psia、7psia、8psia、9psia、10psia、12psia、14psia、16psia、18psia、20psia、25psia、30psia、40psia、50psia、60psia、70psia、80psia、90psia、100psia、120psia、140psia、170psia、200psia、250psia、300psia、350psia、400psia、450psia、500psia、600psia、700psia、800psia、900psia、1000psia、1200psia、1400psia、1600psia、1800psia、2000psia、2400psia、2800psia、3200psia、3600psia、4000psia、4500psia、5000psia、5500psia、6000psia、6500psia、7000psia、8000psia、9000psia、10000psia、11000psia、12000psia、13000psia、15000psia、16000psia、18000psia、20000psia、21000psia、23000psia、25000psia、28000psia、32000psia、35000psia、38000psia、45000psia、50000psia、60000psia
ピーク;次の式で表される傾きの平均値I AV が0.5以上である場合の変曲点Pをピークという。
The invention according to
Record
Pressure; 1.5 psia, 2 psia, 2.5 psia, 3 psia, 3.5 psia, 4 psia, 5 psia, 6 psia, 7 psia, 8 psia, 9 psia, 10 psia, 12 psia, 14 psia, 16 psia, 18 psia, 20 psia, 25 psia, 30 psia, 40 psia, 30 psia, 40 psia, 60 psia, 70 psia, 80 psia, 90 psia, 100 psia, 120 psia, 140 psia, 170 psia, 200 psia, 250 psia, 300 psia, 350 psia, 400 psia, 450 psia, 500 psia, 600 psia, 700 psia, 800 psia, 900 psia, 900 psia, 900 psia, 900 psia sia, 2000 psia, 2400 psia, 2800 psia, 3200 psia, 3600 psia, 4000 psia, 4500 psia, 5000 psia, 5500 psia, 6000 psia, 6500 psia, 7000 psia, 8000 psia, a1000 psia, 1000 psia, 13000 psia, 12000 psia, 13000 psia, 12000 psia, 13000 psia, 12000 psia 25000 psia, 28000 psia, 32000 psia, 35000 psia, 38000 psia, 45000 psia, 50000 psia, 60000 psia
Peak; mean value I AV of the slope represented by the following equation of peak inflection point P where 0.5 or more.
本発明の請求項2にかかる発明は、「ピークが細孔直径0.05〜0.15μmの範囲に存在する、請求項1記載のガス拡散層。」である。
The invention according to
本発明の請求項3にかかる発明は、「ガス拡散層の見掛密度が0.5〜0.8g/cm3である、請求項1又は2に記載のガス拡散層。」である。
The invention according to
本発明の請求項4にかかる発明は、「繊維基材がガラス繊維不織布からなる、請求項1〜3のいずれかに記載のガス拡散層。」である。 Invention of Claim 4 of this invention is "the gas diffusion layer in any one of Claims 1-3 in which a fiber base material consists of a glass fiber nonwoven fabric."
本発明の請求項5にかかる発明は、「請求項1〜4のいずれかに記載のガス拡散層を備える膜−電極接合体。」である。
The invention according to claim 5 of the present invention is "a membrane-electrode assembly including the gas diffusion layer according to any one of
本発明の請求項6にかかる発明は、「請求項1〜4のいずれかに記載のガス拡散層を備える膜−電極接合体を含む燃料電池。」である。
The invention according to claim 6 of the present invention is “a fuel cell including a membrane-electrode assembly including the gas diffusion layer according to any one of
本発明の請求項1にかかる発明は、直径0.01〜1μmの細孔のみを有し、正極で生成した水を内部に留め、固体高分子膜を湿潤に保つことができるため、加湿ガスを供給する必要がないか、必要があったとしても小型の加湿機で済み、軽量・小型の燃料電池を製造することができる。
Since the invention according to
本発明の請求項2にかかる発明は、直径0.05〜0.15μmの細孔のみを有し、正極で生成した水を内部に留め、固体高分子膜を湿潤に保つことができるため、加湿ガスを供給する必要がないか、必要があったとしても小型の加湿機で済み、軽量・小型の燃料電池を製造することができる。
Since the invention according to
本発明の請求項3にかかる発明は、繊維基材にフッ素樹脂と導電剤とが充填されているため、電気伝導性と適度な撥水性を付与することができる。
In the invention according to
本発明の請求項4にかかる発明は、ガス拡散層の見掛密度が0.5〜0.8g/cm3であるため、ガスの透過、供給又は拡散に支障をきたさない程度の多孔性を有する。 In the invention according to claim 4 of the present invention, since the apparent density of the gas diffusion layer is 0.5 to 0.8 g / cm 3 , the gas diffusion layer has a porosity that does not hinder gas permeation, supply, or diffusion. Have.
本発明の請求項5にかかる発明は、繊維基材がガラス繊維不織布からなるため、酸性溶液やアルコール等に対する耐薬品性に優れている。また、炭素繊維で構成される繊維基材に比べて、極めて優れた強度並びに加工適性を有する。更に、安価である。 The invention according to claim 5 of the present invention is excellent in chemical resistance against an acidic solution, alcohol or the like because the fiber base material is made of a glass fiber nonwoven fabric. Moreover, compared with the fiber base material comprised with carbon fiber, it has the extremely outstanding intensity | strength and processability. Furthermore, it is inexpensive.
本発明の請求項6にかかる発明は、前記いずれかのガス拡散層を備える膜−電極接合体であるため、正極で生成した水を内部に留め、固体高分子膜を湿潤に保つことができるため、加湿ガスを供給する必要がないか、必要があったとしても小型の加湿機で済み、軽量・小型の燃料電池を製造することができる。 Since the invention according to claim 6 of the present invention is a membrane-electrode assembly including any one of the gas diffusion layers, water generated at the positive electrode can be retained inside and the solid polymer membrane can be kept wet. Therefore, it is not necessary to supply humidified gas, or even if necessary, a small humidifier can be used, and a lightweight and small fuel cell can be manufactured.
本発明の請求項7にかかる発明は、前記いずれかのガス拡散層を備える膜−電極接合体を含む燃料電池であるため、正極で生成した水を電池内部に留め、固体高分子膜を湿潤に保つことができるため、加湿ガスを供給する必要がないか、必要があったとしても小型の加湿機で済み、軽量・小型の燃料電池であることができる。
Since the invention according to
本発明のガス拡散層は水銀圧入法により測定したLog微分細孔容積分布グラフにおいて、ピークを1つだけ有し、そのピークが細孔直径0.01〜1μmの範囲に存在するものである。このようにピークを1つだけ有するということは、その直径及びその近傍の直径を有する細孔のみから構成されていることを意味し、しかもその直径が0.01〜1μmと従来にはない非常に小さい細孔のみからなるため、水を電池内部に留め、固体高分子膜を湿潤に保つことができる。例えば、1μmよりも大きいピークを有すると、細孔の直径が大きいことを意味するため、外部に水が排出され、水が不足することになる。逆に、0.01μmよりも小さいピークを有すると、細孔の直径が小さすぎることを意味するため、水が内部に留まり過ぎ、細孔を閉塞する結果、ガスの透過、供給又は拡散が阻害される。より好ましくは、1つだけのピークが細孔直径0.05〜0.15μmの範囲に存在する。 The gas diffusion layer of the present invention has only one peak in the Log differential pore volume distribution graph measured by the mercury intrusion method, and the peak exists in the range of the pore diameter of 0.01 to 1 μm. Having only one peak in this way means that it is composed only of pores having the diameter and the diameter in the vicinity thereof, and the diameter is 0.01 to 1 μm, which is very unprecedented. Therefore, it is possible to keep water inside the battery and keep the solid polymer film moist. For example, having a peak larger than 1 μm means that the diameter of the pore is large, so that water is discharged to the outside and water is insufficient. Conversely, having a peak smaller than 0.01 μm means that the diameter of the pores is too small, so that water stays inside and clogs the pores, thereby inhibiting gas permeation, supply or diffusion. Is done. More preferably, only one peak is present in the pore diameter range of 0.05 to 0.15 μm.
本発明において水銀圧入法を採用しているのは、好適な細孔直径が0.01〜1μmであることから、この範囲の細孔直径を測定するのに適した方法であるためである。なお、水銀圧入法は水銀ポロシメータにより実施できる。また、水銀圧入法による測定条件は次の通りである。
1.細孔直径の測定範囲:150〜0.003(μm)
2.水銀の接触角:130(°)
3.水銀の表面張力:485(mN/m)
The reason why the mercury intrusion method is employed in the present invention is that the preferred pore diameter is 0.01 to 1 μm, and this is a method suitable for measuring the pore diameter in this range. The mercury intrusion method can be performed with a mercury porosimeter. The measurement conditions by the mercury intrusion method are as follows.
1. Measurement range of pore diameter: 150 to 0.003 (μm)
2. Mercury contact angle: 130 (°)
3. Surface tension of mercury: 485 (mN / m)
本発明においては、Log微分細孔容積分布グラフをもとにピークを読み取っている。Log微分細孔容積分布グラフは差分細孔容積(dV)を、細孔直径の対数扱いの差分値d(logD)で割った値を求め、これを各区間の平均細孔直径に対してプロットしたものである。このように細孔直径の対数扱いの差分値d(logD)で割っているのは、差分細孔直径で割ると、細孔直径が小さい場合に分母が小さくなり、値が強調される一方で、細孔直径が大きい場合に分母が大きくなり、値が緩和されるためである。 In the present invention, the peak is read based on the Log differential pore volume distribution graph. The Log differential pore volume distribution graph obtains a value obtained by dividing the differential pore volume (dV) by the logarithmic difference value d (logD) of the pore diameter, and plots this value against the average pore diameter of each section. It is a thing. Dividing by the logarithmic difference value d (logD) of the pore diameter in this way is that when dividing by the difference pore diameter, the denominator becomes small when the pore diameter is small, while the value is emphasized. This is because when the pore diameter is large, the denominator becomes large and the value is relaxed.
本発明における「ピーク」は、Log微分細孔容積分布グラフ上、上に凸の変曲点のうち、変曲点をPとし、この変曲点Pの左側で、変曲点Pに最も近い測定点をAとし、更にこの変曲点Pの右側で、変曲点Pに最も近い測定点をBとした時に、A−P間を結んでできる直線LAの傾きの絶対値とB−P間を結んでできる直線LBの傾きの絶対値の平均値が0.5以上である場合、その変曲点Pを「ピーク」という(図2参照)。つまり、次の式で表される傾きの平均値IAVが0.5以上である場合の変曲点Pをピークという。
The “peak” in the present invention is the closest to the inflection point P on the left side of the inflection point P among the inflection points convex upward on the Log differential pore volume distribution graph. the measurement point is a, further right side of this inflection point P, when the B nearest measurement point to the inflection point P, a absolute value of the slope of the straight line L a formed by connecting between the a-P B- If the average value of the absolute value of the slope of the straight line L B formed by connecting between P is 0.5 or more, the inflection point P of "peak" (see FIG. 2). That is, the inflection point P when the average value I AV of the slope represented by the following formula is 0.5 or more is called a peak.
この傾きの平均値IAVが0.5以上である場合に、変曲点Pをピークというのは、図3〜10に示すように、視覚上、IAVが0.5以上である場合にピークと認識できることに起因している。なお、図3〜10においては、細孔直径(対数目盛、範囲:0.1〜1μm)を横軸にとり、Log微分細孔容積(範囲:0〜1cm3/g)を縦軸にとり、両軸の長さを等しく描いたグラフである。 If the average value I AV of the inclination is 0.5 or more, because the peak of the inflection point P, as shown in FIG. 3-10, visually, if I AV is 0.5 or more This is because it can be recognized as a peak. 3 to 10, the pore diameter (logarithmic scale, range: 0.1 to 1 μm) is taken on the horizontal axis, and the Log differential pore volume (range: 0 to 1 cm 3 / g) is taken on the vertical axis. It is the graph which drawn the length of the axis equally.
なお、本発明におけるLog微分細孔容積分布グラフは、水銀圧入法において、次の順に圧力をかけた時に得られたものである。なお、圧力のかけ方によってグラフ上のプロットの数及び間隔が決まる。
1.5psia、2psia、2.5psia、3psia、3.5psia、4psia、5psia、6psia、7psia、8psia、9psia、10psia、12psia、14psia、16psia、18psia、20psia、25psia、30psia、40psia、50psia、60psia、70psia、80psia、90psia、100psia、120psia、140psia、170psia、200psia、250psia、300psia、350psia、400psia、450psia、500psia、600psia、700psia、800psia、900psia、1000psia、1200psia、1400psia、1600psia、1800psia、2000psia、2400psia、2800psia、3200psia、3600psia、4000psia、4500psia、5000psia、5500psia、6000psia、6500psia、7000psia、8000psia、9000psia、10000psia、11000psia、12000psia、13000psia、15000psia、16000psia、18000psia、20000psia、21000psia、23000psia、25000psia、28000psia、32000psia、35000psia、38000psia、45000psia、50000psia、60000psia
In addition, the Log differential pore volume distribution graph in the present invention is obtained when pressure is applied in the following order in the mercury intrusion method. Note that the number and interval of plots on the graph are determined depending on how the pressure is applied.
1.5 psia, 2 psia, 2.5 psia, 3 psia, 3.5 psia, 4 psia, 5 psia, 6 psia, 7 psia, 8 psia, 9 psia, 10 psia, 12 psia, 14 psia, 16 psia, 18 psia, 20 psia, 25 psia, 30 psia, 30 psia, 40 psia, 50 psia, 40 psia, 50 psia 70 psia, 80 psia, 90 psia, 100 psia, 120 psia, 140 psia, 170 psia, 200 psia, 250 psia, 300 psia, 350 psia, 400 psia, 450 psia, 500 psia, 600 psia, 700 psia, 800 psia, 900 psia, 800 psia, 1000 psia, 1000 psia, 1000 psia 2000 psia, 2400 psia, 2800 psia, 3200 psia, 3600 psia, 4000 psia, 4500 psia, 5000 psia, 5500 psia, 6000 psia, 6500 psia, 7000 psia, 8000 psia, 9000 psia, 1000 psia, 1000 psia, 1000 psia, 13000 psia, 13000 psia, 13000 psia, 13000 psia, 13000 psia, 13000 psia. , 28000 psia, 32000 psia, 35000 psia, 38000 psia, 45000 psia, 50000 psia, 60000 psia
このような本発明のガス拡散層は、例えば、繊維基材にフッ素樹脂と導電剤とが充填されたもの、フッ素樹脂と導電剤とを成形したものから構成することができる。これらの中でも繊維基材にフッ素樹脂と導電剤とが充填されたガス拡散層は電気伝導性と適度な撥水性を有するため好適である。この繊維基材はガス拡散層に強度を付与することができる限り、特に限定するものではないが、例えば、ガラス繊維不織布、カーボンペーパー、耐酸性のある有機繊維不織布(例えば、ポリテトラフルオロエチレン繊維、ポリフッ化ビニリデン繊維、ポリパラフェニレンテレフタルアミド繊維、ポリオレフィン繊維、ポリフェニレンサルファイド繊維、ポリエチレンテレフタレート繊維やポリトリメチレンテレフタレート繊維を代表とするポリエステル系繊維を単独で、又は2種類以上を含む不織布)を挙げることができる。これらの中でもガラス繊維不織布は酸性溶液やアルコール等に対する耐薬品性に優れ、また、極めて優れた強度並びに加工適性を有し、更には安価であるため好適である。 Such a gas diffusion layer of the present invention can be composed of, for example, a fiber base material filled with a fluororesin and a conductive agent, or a molded product of a fluororesin and a conductive agent. Among these, a gas diffusion layer in which a fiber base material is filled with a fluororesin and a conductive agent is preferable because it has electrical conductivity and appropriate water repellency. The fiber base material is not particularly limited as long as it can impart strength to the gas diffusion layer. For example, glass fiber nonwoven fabric, carbon paper, acid-resistant organic fiber nonwoven fabric (for example, polytetrafluoroethylene fiber) , Polyvinylidene fluoride fiber, polyparaphenylene terephthalamide fiber, polyolefin fiber, polyphenylene sulfide fiber, polyester fiber represented by polyethylene terephthalate fiber and polytrimethylene terephthalate fiber, or a nonwoven fabric containing two or more types) be able to. Among these, glass fiber nonwoven fabrics are preferred because they are excellent in chemical resistance against acidic solutions, alcohols, etc., have excellent strength and processability, and are inexpensive.
この繊維基材として好適であるガラス繊維不織布は、ガラス繊維をアクリル樹脂、酢酸ビニル樹脂、及び/又はエポキシ樹脂を含むバインダで接着したものであるのが好ましい。塩素成分や金属イオンは燃料電池内において腐食性をきたす等の悪影響を及ぼすが、前記樹脂は塩素成分や金属イオンといった不純物の混入が少ない樹脂として知られており、前記悪影響を及ぼさないためである。特に、塩素成分が20ppm以下のバインダで接着したものであるのが好ましい。 It is preferable that the glass fiber nonwoven fabric suitable as this fiber base material adhere | attaches glass fiber with the binder containing an acrylic resin, a vinyl acetate resin, and / or an epoxy resin. This is because the chlorine component and metal ions have adverse effects such as corrosivity in the fuel cell, but the resin is known as a resin with less impurities such as chlorine components and metal ions, and does not have the adverse effect. . In particular, it is preferable that the chlorine component is bonded with a binder of 20 ppm or less.
なお、バインダを構成する樹脂としてアクリル樹脂を用いる場合、自己架橋型アクリル樹脂を用いることが好ましい。燃料電池においては、触媒層での反応によりプロトンが生成し、ガス拡散層周辺も強酸(pH2程度)雰囲気に曝されるため、ガス拡散層も耐酸性を有するのが好ましく、前記自己架橋により硬化したアクリル樹脂は優れた耐酸性を示すためである。ここで、「自己架橋型アクリル樹脂」とは、同一又は異種のモノマー単位中に、1種又は2種以上の架橋可能な官能基を有するアクリル樹脂を意味し、この架橋可能な官能基の組み合わせとして、例えば、カルボン酸基とビニル基との組み合わせ、カルボン酸基とグリシジル基との組み合わせ、カルボン酸基とアミン基との組み合わせ、カルボン酸基とアミド基との組み合わせ、カルボン酸基とメチロール基との組み合わせ、カルボン酸基とエポキシ基との組み合わせを挙げることができる。これらの中でも窒素を含まず、耐酸化性に特に優れる、カルボン酸基とビニル基との組み合わせ、カルボン酸基とグリシジル基との組み合わせ、カルボン酸基とメチロール基との組み合わせ、又はカルボン酸基とエポキシ基との組み合わせが好ましい。 In addition, when using an acrylic resin as resin which comprises a binder, it is preferable to use a self-crosslinking acrylic resin. In a fuel cell, protons are generated by a reaction in the catalyst layer, and the gas diffusion layer is exposed to a strong acid (about pH 2) atmosphere. Therefore, the gas diffusion layer preferably has acid resistance, and is cured by the self-crosslinking. This is because the acrylic resin exhibits excellent acid resistance. Here, “self-crosslinking acrylic resin” means an acrylic resin having one or two or more types of crosslinkable functional groups in the same or different monomer units, and a combination of these crosslinkable functional groups. For example, a combination of a carboxylic acid group and a vinyl group, a combination of a carboxylic acid group and a glycidyl group, a combination of a carboxylic acid group and an amine group, a combination of a carboxylic acid group and an amide group, a carboxylic acid group and a methylol group And a combination of a carboxylic acid group and an epoxy group. Among these, it does not contain nitrogen and is particularly excellent in oxidation resistance, a combination of a carboxylic acid group and a vinyl group, a combination of a carboxylic acid group and a glycidyl group, a combination of a carboxylic acid group and a methylol group, or a carboxylic acid group A combination with an epoxy group is preferred.
また、ガラス繊維不織布におけるバインダの固形分付着量は、ガラス繊維不織布全体の質量を基準として3〜30質量%の範囲内であるのが好ましい。バインダの固形分付着量が3質量%未満の場合、ガラス繊維不織布としての機械的強度が低く、作業適性が著しく損なわれる傾向があり、一方で、固形分付着量が30質量%を超える場合、バインダに由来する皮膜が過度に形成され、フッ素樹脂と導電剤とを十分に充填することができない傾向があるためである。 Moreover, it is preferable that the solid content adhesion amount of the binder in a glass fiber nonwoven fabric exists in the range of 3-30 mass% on the basis of the mass of the whole glass fiber nonwoven fabric. When the solid content of the binder is less than 3% by mass, the mechanical strength as the glass fiber nonwoven fabric is low, and workability tends to be significantly impaired. On the other hand, when the solid content is more than 30% by mass, This is because the coating derived from the binder tends to be excessively formed and cannot be sufficiently filled with the fluororesin and the conductive agent.
このようなガラス繊維不織布は周知の方法により製造することができるが、均一な地合いを有するガラス繊維不織布を製造できる湿式法により製造するのが好ましい。なお、ガラス繊維の繊維径及び繊維長は、湿式法により製造する際の分散性や機械的強度の優れるガラス繊維不織布であるように、4〜20μmの繊維径、5〜25mmの繊維長であるのが好ましい。また、ガラス繊維の成分としては、耐薬品性(特に耐酸性)の優れる、Eガラス、Cガラス又はQガラスを1種類以上使用することができる。ガラス繊維不織布の目付、厚さは特に限定するものではないが、目付はガス拡散層がガスの透過、供給又は拡散に支障をきたさない程度の多孔性を有する見掛密度としやすいように、4〜25g/m2であるのが好ましく、厚さは強度を確保できるように、30〜300μmであるのが好ましい。なお、「目付」はガラス繊維不織布を10cm角に切断した試料の質量を測定し、1m2の大きさの質量に換算した値をいい、「厚さ」はシックネスゲージ((株)ミツトヨ製:コードNo.547−321:測定力1.5N以下)を用いて測定した値をいう。 Although such a glass fiber nonwoven fabric can be manufactured by a well-known method, it is preferable to manufacture by the wet method which can manufacture the glass fiber nonwoven fabric which has a uniform texture. The fiber diameter and fiber length of the glass fiber are 4 to 20 μm fiber diameter and 5 to 25 mm fiber length so that the glass fiber nonwoven fabric is excellent in dispersibility and mechanical strength when produced by a wet method. Is preferred. Further, as the glass fiber component, one or more kinds of E glass, C glass or Q glass having excellent chemical resistance (particularly acid resistance) can be used. The basis weight and thickness of the glass fiber nonwoven fabric are not particularly limited, but the basis weight is 4 so that the gas diffusion layer has an apparent density having a porosity that does not hinder gas permeation, supply or diffusion. The thickness is preferably ˜25 g / m 2 , and the thickness is preferably 30 to 300 μm so that the strength can be secured. “Weight” refers to a value obtained by measuring the mass of a sample obtained by cutting a glass fiber nonwoven fabric into a 10 cm square and converting it to a mass of 1 m 2. “Thickness” is a thickness gauge (manufactured by Mitutoyo Corporation): Code No. 547-321: measuring force 1.5N or less).
本発明のガス拡散層は前述のような繊維基材にフッ素樹脂と導電剤とが充填されているのが好ましい。ガス拡散層はその厚さ方向に電子を伝導させる必要があるため導電剤が充填されており、適度な撥水性を確保するため、フッ素樹脂が充填されているのが好ましい。導電剤としては、例えば、カーボンブラック、カーボンナノチューブなどを挙げることができ、フッ素樹脂としては、例えば、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)、4フッ化エチレン・6フッ化プロピレン共重合体(FEP)、テトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体(PFA)などを挙げることができる。 In the gas diffusion layer of the present invention, the fiber base as described above is preferably filled with a fluororesin and a conductive agent. The gas diffusion layer is preferably filled with a conductive agent because it is necessary to conduct electrons in the thickness direction, and is preferably filled with a fluororesin in order to ensure appropriate water repellency. Examples of the conductive agent include carbon black and carbon nanotubes, and examples of the fluororesin include polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylidene fluoride (PVDF), tetrafluoroethylene and hexafluoropropylene. Examples thereof include a copolymer (FEP) and a tetrafluoroethylene / perfluoroalkyl vinyl ether copolymer (PFA).
このようなフッ素樹脂と導電剤は繊維基材に充填されているのが好ましいが、その程度は前述のように、水銀圧入法により測定したLog微分細孔容積分布グラフにおいて、ピークを1つだけ有し、そのピークが細孔直径0.01〜1μmの範囲に存在する程度である。例えば、フッ素樹脂と導電剤の繊維基材への充填が不十分であると、繊維基材に起因する10μmを超えるような比較的大きい細孔直径のピークと、フッ素樹脂と導電剤によって形成される多孔層に起因する1μm以下の比較的小さい細孔直径のピークの、2つのピークを有することになる結果、水を外部に排出してしまい、固体高分子膜の湿潤が不十分で、プロトンが移動しにくくなり、十分な発電性能を得られなくなる。したがって、繊維基材全体に、十分かつ均一にフッ素樹脂と導電剤を充填する必要がある。 Such a fluororesin and a conductive agent are preferably filled in a fiber base material. However, as described above, the degree is only one peak in the Log differential pore volume distribution graph measured by the mercury intrusion method. And the peak is present in the pore diameter range of 0.01 to 1 μm. For example, if the filling of the fluororesin and the conductive agent into the fiber base material is insufficient, it is formed by a relatively large pore diameter peak exceeding 10 μm caused by the fiber base material, and the fluororesin and the conductive agent. As a result of having two peaks with a relatively small pore diameter of 1 μm or less due to the porous layer, water is discharged to the outside, the solid polymer membrane is not sufficiently wetted, and protons Becomes difficult to move, and sufficient power generation performance cannot be obtained. Therefore, it is necessary to fill the entire fiber base material with the fluororesin and the conductive agent sufficiently and uniformly.
このように十分かつ均一にフッ素樹脂と導電剤を繊維基材に充填するには、例えば、フッ素樹脂と導電剤を含む導電性ペーストを繊維基材に塗布し、ホットプレスするのが好ましい。また、ホットプレスにより見掛密度を調整することができ、表面を平滑にすることができる。表面が平滑であると、膜−電極接合体を作製するときに、ガス拡散層と触媒層及びセパーレータとの接触面積を大きくすることができる。なお、ホットプレスの条件は特に限定するものではないが、例えば、温度50〜250℃、圧力6〜13MPaで10〜180秒間行うのが好ましい。 In order to fill the fiber base material with the fluororesin and the conductive agent sufficiently and uniformly in this manner, for example, it is preferable to apply a hot paste to the fiber base material by applying a conductive paste containing the fluororesin and the conductive agent. Further, the apparent density can be adjusted by hot pressing, and the surface can be smoothed. When the surface is smooth, the contact area between the gas diffusion layer, the catalyst layer, and the separator can be increased when a membrane-electrode assembly is produced. In addition, although the conditions of hot press are not specifically limited, For example, it is preferable to carry out for 10 to 180 seconds at the temperature of 50-250 degreeC and the pressure of 6-13 MPa.
また、フッ素樹脂と導電剤との質量比率は50〜20:50〜80であるのが好ましく、40〜25:60〜75であるのがより好ましい。 Moreover, it is preferable that it is 50-20: 50-80, and, as for the mass ratio of a fluororesin and a electrically conductive agent, it is more preferable that it is 40-25: 60-75.
本発明のガス拡散層の見掛密度は0.5〜0.8g/cm3であるのが好ましい。0.8g/cm3よりも見掛密度が高いと、ガス拡散層本来の作用であるガスの透過、供給又は拡散が悪くなる傾向があるためで、他方、0.5g/cm3よりも見掛密度が低いと、燃料電池のガス拡散層として実装する際に見掛密度が極端に変化し、バイポーラプレートのガスを供給する溝に食い込んで溝を塞いでしまい、効率的にガスを供給することが難しくなる傾向があり、また、見掛密度が低いと体積抵抗が高くなり、電気伝導性が悪くなる傾向があるためである。なお、見掛密度は目付(単位:g/cm2)を厚さ(単位:cm)で割った値である。 The apparent density of the gas diffusion layer of the present invention is preferably 0.5 to 0.8 g / cm 3 . If the apparent density is higher than 0.8 g / cm 3 , gas permeation, supply, or diffusion, which is the original function of the gas diffusion layer, tends to deteriorate. On the other hand, the apparent density is higher than 0.5 g / cm 3. If the packing density is low, the apparent density changes drastically when mounting as a gas diffusion layer of the fuel cell, and the gas is supplied to the bipolar plate gas supply groove, closing the groove, and supplying the gas efficiently. This is because, when the apparent density is low, the volume resistance increases and the electrical conductivity tends to deteriorate. The apparent density is a value obtained by dividing the basis weight (unit: g / cm 2 ) by the thickness (unit: cm).
なお、ガス拡散層の目付、厚さは特に限定するものではないが、体積抵抗が小さくなるように、目付は20〜120g/m2であるのが好ましく、厚さは40〜150μmであるのが好ましい。 The basis weight and thickness of the gas diffusion layer are not particularly limited, but the basis weight is preferably 20 to 120 g / m 2 and the thickness is 40 to 150 μm so as to reduce the volume resistance. Is preferred.
以上は繊維基材にフッ素樹脂と導電剤とが充填されている場合についてであるが、水銀圧入法により測定したLog微分細孔容積分布グラフにおいて、ピークを1つだけ有し、そのピークが細孔直径0.01〜1μmの範囲に存在する限り、前述の態様に限定されず、フッ素樹脂と導電剤とを成型型により成型したガス拡散層であっても良い。 The above is the case where the fiber base material is filled with a fluororesin and a conductive agent. The Log differential pore volume distribution graph measured by the mercury intrusion method has only one peak, and the peak is fine. As long as it exists in the range of 0.01-1 micrometer in pore diameter, it is not limited to the above-mentioned aspect, The gas diffusion layer which shape | molded the fluororesin and the electrically conductive agent with the shaping | molding die may be sufficient.
本発明の膜−電極接合体は前述のようなガス拡散層を備えているため、正極で生成した水を内部に留め、固体高分子膜を湿潤に保ちやすいため、加湿ガスを供給する必要がないか、必要があったとしても小型の加湿機で済み、軽量・小型の燃料電池を製造できるものである。 Since the membrane-electrode assembly of the present invention includes the gas diffusion layer as described above, it is necessary to supply a humidified gas because water generated at the positive electrode is retained inside and the solid polymer membrane is easily kept moist. Even if necessary, a small humidifier can be used, and a lightweight and small fuel cell can be manufactured.
本発明の膜−電極接合体は前述のようなガス拡散層を備えていること以外は従来の膜−電極接合体と全く同様であることができる。例えば、ガス拡散層と触媒層とからなるガス拡散電極は、エチルアルコール、プロピルアルコール、ブチルアルコール、エチレングリコールジメチルエーテルなどからなる単一あるいは混合溶媒中に、触媒(例えば、白金などの触媒を担持したカーボン粉末)を加えて混合し、これにイオン交換樹脂溶液を加え、超音波分散等で均一に混合して触媒分散懸濁液を調製し、この触媒分散懸濁液をガス拡散層表面にコーティング又は散布し、乾燥し、触媒層を形成することにより製造することができる。また、固体高分子膜としては、例えば、パーフルオロカーボンスルホン酸系樹脂膜、スルホン化芳香族炭化水素系樹脂膜、アルキルスルホン化芳香族炭化水素系樹脂膜などを用いることができる。膜−電極接合体は、例えば、一対のガス拡散電極のそれぞれの触媒層の間に固体高分子膜を挟み、熱プレス法によって接合して製造できる。 The membrane-electrode assembly of the present invention can be exactly the same as the conventional membrane-electrode assembly except that it includes the gas diffusion layer as described above. For example, a gas diffusion electrode composed of a gas diffusion layer and a catalyst layer carries a catalyst (for example, a catalyst such as platinum) in a single or mixed solvent composed of ethyl alcohol, propyl alcohol, butyl alcohol, ethylene glycol dimethyl ether or the like. Carbon powder) is added and mixed, and then the ion exchange resin solution is added to it and mixed uniformly by ultrasonic dispersion to prepare a catalyst dispersion suspension. The catalyst dispersion suspension is coated on the surface of the gas diffusion layer. Alternatively, it can be produced by spraying and drying to form a catalyst layer. As the solid polymer film, for example, a perfluorocarbon sulfonic acid resin film, a sulfonated aromatic hydrocarbon resin film, an alkylsulfonated aromatic hydrocarbon resin film, or the like can be used. The membrane-electrode assembly can be produced, for example, by sandwiching a solid polymer membrane between the catalyst layers of a pair of gas diffusion electrodes and joining them by a hot press method.
なお、本発明のガス拡散層を正極に使用した場合には、正極で生成した水を内部に留め、固体高分子膜を湿潤に保つことができ、また、負極に使用した場合には、正極から逆拡散してきた水を内部に留め、固体高分子膜を湿潤に保つことができる。 When the gas diffusion layer of the present invention is used for the positive electrode, water produced at the positive electrode can be kept inside to keep the solid polymer film moist, and when used for the negative electrode, Water that has been back-diffused from the inside can be kept inside, and the solid polymer membrane can be kept moist.
本発明の燃料電池は前述のガス拡散層を備える膜−電極接合体を含む燃料電池であるため、正極で生成した水を内部に留め、固体高分子膜を湿潤に保ちやすいため、加湿ガスを供給する必要がないか、必要があったとしても小型の加湿機で済み、軽量・小型の燃料電池である。 Since the fuel cell of the present invention is a fuel cell including the membrane-electrode assembly having the gas diffusion layer described above, water generated at the positive electrode is retained inside, and the solid polymer membrane is easily kept moist. There is no need to supply or even if it is necessary, a small humidifier is sufficient, and it is a lightweight and small fuel cell.
本発明の燃料電池は前述のようなガス拡散層を備える膜−電極接合体を含んでいること以外は従来の燃料電池と全く同様であることができる。例えば、前述のような膜−電極接合体を1対のバイポーラプレートで挟んだセル単位を複数積層した構造からなる。バイポーラプレートとしては、導電性が高く、ガスを透過せず、ガス拡散層にガスを供給できる流路を有するものであれば良く、特に限定するものではないが、例えば、カーボン成形材料、カーボン−樹脂複合材料、金属材料などを用いることができる。なお、燃料電池は、膜−電極接合体を1対のバイポーラプレートで挟んで固定したセル単位を複数積層することによって製造することができる。 The fuel cell of the present invention can be exactly the same as a conventional fuel cell except that it includes a membrane-electrode assembly having a gas diffusion layer as described above. For example, it has a structure in which a plurality of cell units in which a membrane-electrode assembly as described above is sandwiched between a pair of bipolar plates are stacked. The bipolar plate is not particularly limited as long as it has a high conductivity, does not transmit gas, and has a flow path that can supply gas to the gas diffusion layer. For example, a carbon molding material, carbon- A resin composite material, a metal material, or the like can be used. A fuel cell can be manufactured by stacking a plurality of cell units each having a membrane-electrode assembly sandwiched between a pair of bipolar plates.
(繊維基材の準備)
まず、ガス拡散層のベースとなる繊維基材を用意した。この繊維基材として、ガラス繊維不織布と、市販のカーボンペーパー(東レ(株)製、商品名:TGP−H−060)とを準備した。なお、ガラス繊維不織布は、Eガラス(繊維径:7μm、繊維長:13mm)を常法の湿式抄造法により繊維ウエブを形成した後、アクリル樹脂を主成分とするバインダとポリ酢酸ビニルバインダとを固形分質量比1:1で混合した混合バインダを含浸(固形分付着量:15mass%)し、乾燥して製造したガラス不織布A(目付:11g/m2、厚さ:110μm)、又は同様に形成した繊維ウエブにエポキシ樹脂を含浸(固形分付着量:15mass%)し、乾燥して製造したガラス不織布B(目付:11g/m2、厚さ:110μm)である。
(Preparation of fiber base material)
First, the fiber base material used as the base of a gas diffusion layer was prepared. As this fiber base material, a glass fiber nonwoven fabric and a commercially available carbon paper (trade name: TGP-H-060, manufactured by Toray Industries, Inc.) were prepared. The glass fiber non-woven fabric is made of E glass (fiber diameter: 7 μm, fiber length: 13 mm) formed by a conventional wet papermaking method, and then a binder mainly composed of an acrylic resin and a polyvinyl acetate binder. Glass nonwoven fabric A (solid weight: 11 g / m 2 , thickness: 110 μm) produced by impregnating a mixed binder mixed at a solid mass ratio of 1: 1 (solid content: 15 mass%) and drying, or similarly It is a glass nonwoven fabric B (weight per unit: 11 g / m 2 , thickness: 110 μm) produced by impregnating an epoxy resin into the formed fiber web (solid content: 15 mass%) and drying.
(導電性ペーストの準備)
(1)市販のカーボンブラック(電気化学工業(株)製、商品名:デンカブラック粒状品)と、市販のPTFEディスパージョン『D−210C』(ダイキン工業(株)製、商品名)とを固形分質量比60:40で混合し、水・エタノール混合溶液(体積比2:3)を溶媒として撹拌・分散処理を行い、固形分10質量%の導電性ペースト(以下、「第1導電性ペースト」という)を調製した。
(2)上記と同じ市販のカーボンブラックと、市販のPTFE『ルブロンL−5』(ダイキン工業(株)製、商品名)とを60:40の質量比で混合し、乳鉢で粉砕した後、水・エタノール混合溶液(体積比2:3)を溶媒として充分に撹拌・分散させ、固形分5.7質量%の導電性ペースト(以下、「第2導電性ペースト」という)を調製した。
(3)上記と同じ市販のカーボンブラックと市販のPVDF((株)クレハ製、商品名:KFポリマー)とを質量比75:25で混合し、N−メチルピロリドン溶媒に攪拌・分散させ、固形分12質量%の導電性ペースト(以下、「第3導電性ペースト」という)を調製した。
(Preparation of conductive paste)
(1) Solid commercially available carbon black (manufactured by Electrochemical Industry Co., Ltd., trade name: Denka Black granular product) and commercially available PTFE dispersion “D-210C” (trade name, produced by Daikin Industries, Ltd.) Mixing at a mass / mass ratio of 60:40, stirring / dispersing with a water / ethanol mixed solution (volume ratio 2: 3) as a solvent, a conductive paste having a solid content of 10% by mass (hereinafter referred to as “first conductive paste”). Was prepared).
(2) After mixing the same commercially available carbon black as above and commercially available PTFE “Lublon L-5” (manufactured by Daikin Industries, Ltd., trade name) at a mass ratio of 60:40, A water / ethanol mixed solution (volume ratio 2: 3) was sufficiently stirred and dispersed as a solvent to prepare a conductive paste having a solid content of 5.7% by mass (hereinafter referred to as “second conductive paste”).
(3) The same commercially available carbon black as described above and commercially available PVDF (trade name: KF polymer, manufactured by Kureha Co., Ltd.) are mixed at a mass ratio of 75:25, and stirred and dispersed in an N-methylpyrrolidone solvent. A conductive paste having a content of 12% by mass (hereinafter referred to as “third conductive paste”) was prepared.
(実施例1〜7、比較例1〜3)
表1に示すように、前記繊維基材に対して、第1導電性ペースト、第2導電性ペースト又は第3導電性ペーストを塗布してガス拡散層を製造した。
(Examples 1-7, Comparative Examples 1-3)
As shown in Table 1, a gas diffusion layer was manufactured by applying the first conductive paste, the second conductive paste, or the third conductive paste to the fiber base material.
より具体的には、第1導電性ペーストを用いる場合には、ペーストを塗布し、温度60℃の熱風乾燥機によって乾燥させた後、加熱炉にて、窒素雰囲気中、350℃で1時間焼結し、圧力3〜11MPa、温度170℃、時間30秒間の条件でホットプレスを行い、見掛密度及び細孔直径を調節して、ガス拡散層を製造した。 More specifically, when the first conductive paste is used, the paste is applied, dried by a hot air dryer having a temperature of 60 ° C., and then baked in a heating furnace at 350 ° C. for 1 hour in a nitrogen atmosphere. As a result, a hot diffusion was performed under the conditions of a pressure of 3 to 11 MPa, a temperature of 170 ° C., and a time of 30 seconds to adjust the apparent density and the pore diameter to produce a gas diffusion layer.
また、第2導電性ペーストを用いる場合には、ペーストを塗布し、温度60℃の熱風乾燥機によって乾燥させた後、加熱炉にて、窒素雰囲気中、350℃で1時間焼結し、ガス拡散層を製造した。 In the case of using the second conductive paste, the paste is applied and dried by a hot air dryer at a temperature of 60 ° C., and then sintered in a heating furnace at 350 ° C. for 1 hour in a nitrogen atmosphere. A diffusion layer was produced.
更に、第3導電性ペーストを用いる場合には、ペーストを塗布し、水浴中に30分間浸漬して水溶媒置換した後に、温度60℃の熱風乾燥機によって乾燥させ、そして圧力8〜15MPa、温度170℃、時間30秒間の条件でのホットプレスを行い、見掛密度及び細孔直径を調節して、ガス拡散層を製造した。 Further, when the third conductive paste is used, the paste is applied, immersed in a water bath for 30 minutes and substituted with a water solvent, and then dried with a hot air dryer at a temperature of 60 ° C., and a pressure of 8 to 15 MPa, a temperature Hot pressing was performed at 170 ° C. for 30 seconds to adjust the apparent density and the pore diameter, thereby producing a gas diffusion layer.
表1は、これらガス拡散層の材料構成、ホットプレス条件、目付、厚さ、見掛密度、並びに細孔直径(水銀圧入法により測定したLog微分細孔容積分布グラフにおけるピーク)をまとめたものである。同表中、ガラス繊維不織布Aについては「ガラスA」と表記し、ガラス繊維不織布Bについては「ガラスB」と表記し、カーボンペーパーは「炭素」と表記している。さらに、第1導電性ペーストは「第1」と表記し、第2導電性ペーストは「第2」、第3導電性ペーストは「第3」と表記している。
Table 1 summarizes the material composition, hot press conditions, basis weight, thickness, apparent density, and pore diameter (peaks in the Log differential pore volume distribution graph measured by mercury porosimetry) of these gas diffusion layers. It is. In the table, the glass fiber nonwoven fabric A is expressed as “glass A”, the glass fiber nonwoven fabric B is expressed as “glass B”, and the carbon paper is expressed as “carbon”. Furthermore, the first conductive paste is expressed as “first”, the second conductive paste is expressed as “second”, and the third conductive paste is expressed as “third”.
(触媒層の作製)
エチレングリコールジメチルエーテル10.4gに対して、市販の白金担持炭素粒子(石福金属(株)製、炭素に対する白金担持量40質量%)を0.8g加え、超音波処理によって分散させた後、市販の5質量%ナフィオン溶液(米国シグマ・アルドリッチ社製、商品名)4.0gを加え、更に超音波処理により分散させ、更に攪拌機で攪拌して、触媒ペーストを調製した。次いで、この触媒ペーストを支持体(商品名:ナフロンPTFEテープ、ニチアス(株)製、厚さ0.1mm)に塗布し、熱風乾燥機によって60℃で乾燥し、当該支持体に対する白金担持量が0.5mg/cm2の触媒層を作製した。
(Production of catalyst layer)
To 10.4 g of ethylene glycol dimethyl ether, 0.8 g of commercially available platinum-supported carbon particles (manufactured by Ishifuku Metal Co., Ltd., 40% by mass of platinum supported on carbon) are added and dispersed by ultrasonic treatment. 4.0 g of a 5 mass% Nafion solution (trade name, manufactured by Sigma-Aldrich, USA) was further dispersed by ultrasonic treatment, and further stirred with a stirrer to prepare a catalyst paste. Next, this catalyst paste was applied to a support (trade name: Naflon PTFE tape, manufactured by Nichias Co., Ltd., thickness: 0.1 mm) and dried at 60 ° C. by a hot air dryer, and the amount of platinum supported on the support was A catalyst layer of 0.5 mg / cm 2 was prepared.
(固体高分子膜−触媒層接合体の作製)
まず、固体高分子膜として、Nafion 112(商品名、米国デュポン社製)を用意し、この固体高分子膜の両面に、前記触媒層を夫々積層した後、温度135℃、圧力2.6MPa、時間2分間の条件でホットプレスにより接合し、固体高分子膜−触媒層接合体を作製した。
(Preparation of solid polymer membrane-catalyst layer assembly)
First, Nafion 112 (trade name, manufactured by DuPont, USA) was prepared as a solid polymer membrane. After the catalyst layers were laminated on both sides of the solid polymer membrane, the temperature was 135 ° C., the pressure was 2.6 MPa, The solid polymer membrane-catalyst layer assembly was manufactured by hot pressing under conditions of 2 minutes.
(燃料電池評価用セルによる発電評価)
前記固体高分子膜−触媒層接合体の両面に、実施例1〜7又は比較例1〜3のガス拡散層を積層し、膜−電極接合体(MEA)とした後、締め付け圧3.0N・mで固体高分子形燃料電池セル『As−510−C25−1H』(商品名、エヌエフ回路設計ブロック(株)製)に組み付けて、発電性能を評価した。この標準セルは、バイポーラプレートを含み、MEAの評価試験に用いるものである。なお、同じ膜−電極接合体(MEA)においては、同じガス拡散層を正極側、負極側の両方に使用した。
(Power generation evaluation using fuel cell evaluation cells)
After laminating the gas diffusion layers of Examples 1-7 or Comparative Examples 1-3 on both surfaces of the solid polymer membrane-catalyst layer assembly to form a membrane-electrode assembly (MEA), a clamping pressure of 3.0 N・ Assembled in a polymer electrolyte fuel cell “As-510-C25-1H” (trade name, manufactured by NF Circuit Design Block Co., Ltd.) at m, power generation performance was evaluated. This standard cell includes a bipolar plate and is used for MEA evaluation tests. In the same membrane-electrode assembly (MEA), the same gas diffusion layer was used on both the positive electrode side and the negative electrode side.
発電は負側に水素ガス、正極側に酸素ガスを夫々500mL/分の流量で供給して行い、エヌエフ回路設計ブロック(株)製の発電評価装置によって、電位−電流曲線を測定した。この際、セル温度は80℃であり、負極並びに正極の加湿のために、水素ガス及び酸素ガスを温度40℃の飽和水蒸気で満たされた加湿機を通過させた後に、燃料電池内部に供給した。この電位−電流曲線は図11に示す通りであった。 Power generation was performed by supplying hydrogen gas on the negative side and oxygen gas on the positive electrode side at a flow rate of 500 mL / min, and the potential-current curve was measured by a power generation evaluation apparatus manufactured by NF Circuit Design Block Co., Ltd. At this time, the cell temperature was 80 ° C., and in order to humidify the negative electrode and the positive electrode, hydrogen gas and oxygen gas were passed through a humidifier filled with saturated water vapor at a temperature of 40 ° C. and then supplied into the fuel cell. . This potential-current curve was as shown in FIG.
この図11から、水銀圧入法により測定したLog微分細孔容積分布グラフにおいて、1つだけピークを有し、そのピークが細孔直径0.01〜1μmの範囲にある実施例1〜7のガス拡散層を備えた膜−電極接合体は、前記細孔直径が0.01μm未満、又は1μmを超える比較例1〜3に比べて、大きな電流を流すことができ、優れた発電特性を発揮し得ることが確認された。特に、前記細孔直径が0.05〜0.15μmである実施例1〜3では、電流密度が1.5A/cm2のときの電圧が実施例4〜7よりも高く、極めて優れた発電特性を発揮し得ることが確認された。 From FIG. 11, in the Log differential pore volume distribution graph measured by the mercury intrusion method, the gas of Examples 1 to 7 having only one peak and the peak is in the range of the pore diameter of 0.01 to 1 μm. Compared with Comparative Examples 1 to 3, the membrane-electrode assembly provided with the diffusion layer has a pore diameter of less than 0.01 μm or more than 1 μm, and exhibits excellent power generation characteristics. Confirmed to get. In particular, in Examples 1 to 3 in which the pore diameter is 0.05 to 0.15 μm, the voltage when the current density is 1.5 A / cm 2 is higher than those in Examples 4 to 7, and extremely excellent power generation. It was confirmed that the characteristics can be exhibited.
11a (負極側)バイポーラプレート
11c (正極側)バイポーラプレート
13a (負極側)ガス拡散層
13c (正極側)ガス拡散層
15a (負極側)触媒層
15c (正極側)触媒層
17a 負極
17c 正極
19 固体高分子膜
11a (negative electrode side) bipolar plate 11c (positive electrode side) bipolar plate 13a (negative electrode side) gas diffusion layer 13c (positive electrode side) gas diffusion layer 15a (negative electrode side) catalyst layer 15c (positive electrode side) catalyst layer 17a negative electrode 17c
Claims (6)
記
圧力;1.5psia、2psia、2.5psia、3psia、3.5psia、4psia、5psia、6psia、7psia、8psia、9psia、10psia、12psia、14psia、16psia、18psia、20psia、25psia、30psia、40psia、50psia、60psia、70psia、80psia、90psia、100psia、120psia、140psia、170psia、200psia、250psia、300psia、350psia、400psia、450psia、500psia、600psia、700psia、800psia、900psia、1000psia、1200psia、1400psia、1600psia、1800psia、2000psia、2400psia、2800psia、3200psia、3600psia、4000psia、4500psia、5000psia、5500psia、6000psia、6500psia、7000psia、8000psia、9000psia、10000psia、11000psia、12000psia、13000psia、15000psia、16000psia、18000psia、20000psia、21000psia、23000psia、25000psia、28000psia、32000psia、35000psia、38000psia、45000psia、50000psia、60000psia
ピーク;次の式で表される傾きの平均値I AV が0.5以上である場合の変曲点Pをピークという。
This is a gas diffusion layer in which the entire fiber base material is filled with a fluororesin and a conductive agent. The log differential fineness is measured by applying pressure in the following order within the pore diameter range of 150 to 0.003 μm by the mercury intrusion method. In the pore volume distribution graph, a gas diffusion layer having only one peak defined below and having the peak in the range of pore diameter of 0.01 to 1 μm.
Record
Pressure; 1.5 psia, 2 psia, 2.5 psia, 3 psia, 3.5 psia, 4 psia, 5 psia, 6 psia, 7 psia, 8 psia, 9 psia, 10 psia, 12 psia, 14 psia, 16 psia, 18 psia, 20 psia, 25 psia, 30 psia, 40 psia, 30 psia, 40 psia, 60 psia, 70 psia, 80 psia, 90 psia, 100 psia, 120 psia, 140 psia, 170 psia, 200 psia, 250 psia, 300 psia, 350 psia, 400 psia, 450 psia, 500 psia, 600 psia, 700 psia, 800 psia, 900 psia, 900 psia, 900 psia, 900 psia sia, 2000 psia, 2400 psia, 2800 psia, 3200 psia, 3600 psia, 4000 psia, 4500 psia, 5000 psia, 5500 psia, 6000 psia, 6500 psia, 7000 psia, 8000 psia, a1000 psia, 1000 psia, 13000 psia, 12000 psia, 13000 psia, 12000 psia, 13000 psia, 12000 psia 25000 psia, 28000 psia, 32000 psia, 35000 psia, 38000 psia, 45000 psia, 50000 psia, 60000 psia
Peak; mean value I AV of the slope represented by the following equation of peak inflection point P where 0.5 or more.
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