JP5704094B2 - Fuel cell, gas diffusion layer for fuel cell, and production method thereof - Google Patents

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Description

本発明は、燃料電池、燃料電池用ガス拡散層、および、これらの製造方法に関するものである。   The present invention relates to a fuel cell, a gas diffusion layer for a fuel cell, and a manufacturing method thereof.

燃料ガス(例えば、水素)と酸化剤ガス(例えば、酸素)との電気化学反応によって発電する燃料電池がエネルギ源として注目されている。この燃料電池には、電解質膜として固体高分子膜を用いた固体高分子型燃料電池がある。固体高分子型燃料電池は、一般に、電解質膜の両面に、それぞれ、電極(触媒層)とガス拡散層とをこの順に備える。   A fuel cell that generates electricity by an electrochemical reaction between a fuel gas (for example, hydrogen) and an oxidant gas (for example, oxygen) has attracted attention as an energy source. As this fuel cell, there is a solid polymer fuel cell using a solid polymer membrane as an electrolyte membrane. A polymer electrolyte fuel cell generally includes an electrode (catalyst layer) and a gas diffusion layer in this order on both sides of an electrolyte membrane.

そして、従来、電極(触媒層)とガス拡散層との接着性を向上させるための種々の技術が提案されている。例えば、下記特許文献1に記載された技術では、ガス拡散層上に、増粘剤を含む結着剤層(バッファ層)が設けられ、この結着剤層(バッファ層)上に触媒粒子及び高分子電解質を含む電極触媒層が積層される。つまり、この技術では、結着剤層に含まれる増粘剤によって、ガス拡散層と電極触媒層との接着を行っている。そして、ガス拡散層上に積層された電極触媒層に電解質膜が接合される。   Conventionally, various techniques for improving the adhesion between the electrode (catalyst layer) and the gas diffusion layer have been proposed. For example, in the technique described in Patent Document 1 below, a binder layer (buffer layer) containing a thickener is provided on a gas diffusion layer, and catalyst particles and a binder layer (buffer layer) are provided on the binder layer (buffer layer). An electrode catalyst layer containing a polymer electrolyte is laminated. That is, in this technique, the gas diffusion layer and the electrode catalyst layer are bonded by the thickener contained in the binder layer. The electrolyte membrane is joined to the electrode catalyst layer laminated on the gas diffusion layer.

特開2007−317391号公報JP 2007-317391 A 特開2005−294123号公報JP-A-2005-294123

ところで、電極とガス拡散層との接合は、上述したように、ガス拡散上に電極を積層するのではなく、電解質膜の両面に電極を接合してなる膜電極接合体と、ガス拡散層とを用意して、これらを接合することによって行われる場合がある。この場合、膜電極接合体とガス拡散層との接合は、一般に、ホットプレス接合によって行われる。そして、膜電極接合体とガス拡散層とのホットプレス接合にも、上記特許文献1に記載された結着剤層を用いることが考えられる。   By the way, as described above, the electrode and the gas diffusion layer are bonded not by stacking the electrodes on the gas diffusion, but by a membrane electrode assembly in which the electrodes are bonded to both surfaces of the electrolyte membrane, and the gas diffusion layer. May be performed by preparing and bonding them. In this case, the membrane electrode assembly and the gas diffusion layer are generally joined by hot press joining. And it is possible to use the binder layer described in the said patent document 1 also for the hot press joining of a membrane electrode assembly and a gas diffusion layer.

しかし、上記特許文献1に記載された結着剤層にある程度の熱が加わると、結着剤層に含まれる増粘剤が気化して減少する。このため、上記特許文献1に記載された結着層を用いて、膜電極接合体とガス拡散層とをホットプレス接合を行うと、膜電極接合体とガス拡散層との接着性が低下する。   However, when a certain amount of heat is applied to the binder layer described in Patent Document 1, the thickener contained in the binder layer is vaporized and reduced. For this reason, when the membrane electrode assembly and the gas diffusion layer are hot-press bonded using the binding layer described in Patent Document 1, the adhesion between the membrane electrode assembly and the gas diffusion layer is reduced. .

本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、燃料電池において、膜電極接合体とガス拡散層とをホットプレス接合する際の、膜電極接合体とガス拡散層との接着性を向上させることを目的とする。   The present invention has been made in order to solve the above-described problems, and in a fuel cell, the membrane electrode assembly and the gas diffusion layer are bonded to each other when hot pressing the membrane electrode assembly and the gas diffusion layer. The purpose is to improve the performance.

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。   SUMMARY An advantage of some aspects of the invention is to solve at least a part of the problems described above, and the invention can be implemented as the following forms or application examples.

[適用例1]
燃料電池であって、
電解質膜の両面に電極を接合してなる膜電極接合体と、
前記膜電極接合体の表面に接合されたガス拡散層であって、前記膜電極接合体との接合面に、微細多孔質層が形成されたガス拡散層と、
を備え、
前記微細多孔質層は、導電性微粒子と、水溶性および300(℃)以上の耐熱温度を有する接着剤と、を含む、
燃料電池。
[Application Example 1]
A fuel cell,
A membrane electrode assembly formed by bonding electrodes to both surfaces of the electrolyte membrane;
A gas diffusion layer bonded to the surface of the membrane electrode assembly, the gas diffusion layer having a microporous layer formed on the bonding surface with the membrane electrode assembly, and
With
The fine porous layer includes conductive fine particles and an adhesive having water solubility and a heat resistant temperature of 300 (° C.) or higher.
Fuel cell.

適用例1の燃料電池では、微細多孔質層に含まれる接着剤が300(℃)以上の耐熱温度を有するので、膜電極接合体とガス拡散層とをホットプレス接合する際の、膜電極接合体とガス拡散層との接着性を向上させることができる。また、適用例1の燃料電池では、微細多孔質層に含まれる接着剤が水溶性を有するので、発電中に生成された水により、接着剤の接着力が増大し、発電中の膜電極接合体とガス拡散層との接着性を向上させることもできる。なお、膜電極接合体とガス拡散層とのホットプレス接合は、300(℃)未満の加熱温度で行われる。   In the fuel cell of Application Example 1, since the adhesive contained in the microporous layer has a heat resistance temperature of 300 (° C.) or higher, the membrane electrode bonding when the membrane electrode assembly and the gas diffusion layer are hot-press bonded. The adhesion between the body and the gas diffusion layer can be improved. In the fuel cell of Application Example 1, since the adhesive contained in the microporous layer is water-soluble, the adhesive force of the adhesive is increased by water generated during power generation, and membrane electrode joining during power generation is performed. The adhesion between the body and the gas diffusion layer can also be improved. The hot press bonding between the membrane electrode assembly and the gas diffusion layer is performed at a heating temperature of less than 300 (° C.).

[適用例2]
適用例1記載の燃料電池であって、
前記接着剤は、セラミック系接着剤である、
燃料電池。
[Application Example 2]
A fuel cell according to Application Example 1,
The adhesive is a ceramic adhesive,
Fuel cell.

適用例2の燃料電池では、接着剤として、セラミック系接着剤を用いることによって、300(℃)以上の耐熱温度を確保することができる。なお、セラミック系接着剤とは、非金属無機固体材料をベースとする接着剤である。   In the fuel cell of Application Example 2, a heat resistant temperature of 300 (° C.) or more can be secured by using a ceramic adhesive as the adhesive. The ceramic adhesive is an adhesive based on a nonmetallic inorganic solid material.

[適用例3]
適用例1または2記載の燃料電池であって、
前記微細多孔質層は、さらに、フッ素樹脂からなる微粒子を含み、
前記微細多孔質層における前記接着剤の混合比率は、前記フッ素樹脂からなる微粒子の混合比率以下である、
燃料電池。
[Application Example 3]
A fuel cell according to Application Example 1 or 2,
The fine porous layer further includes fine particles made of a fluororesin,
The mixing ratio of the adhesive in the fine porous layer is equal to or less than the mixing ratio of the fine particles made of the fluororesin.
Fuel cell.

適用例3の燃料電池によって、微細多孔質層を撥水層として機能させることができる。なお、本適用例において、混合比率は、重量比率を意味している。   With the fuel cell of Application Example 3, the fine porous layer can function as a water repellent layer. In this application example, the mixing ratio means a weight ratio.

[適用例4]
燃料電池用ガス拡散層であって、
前記燃料電池用ガス拡散層の基材と、
前記基材の表面に形成された微細多孔質層であって、導電性微粒子と、水溶性および300(℃)以上の耐熱温度を有する接着剤と、を含む微細多孔質層と、
を備える燃料電池用ガス拡散層。
[Application Example 4]
A gas diffusion layer for a fuel cell,
A base material for the fuel cell gas diffusion layer;
A microporous layer formed on the surface of the substrate, the microporous layer comprising conductive fine particles and an adhesive having water solubility and a heat resistance temperature of 300 (° C.) or higher;
A gas diffusion layer for a fuel cell comprising:

適用例4の燃料電池用ガス拡散層では、微細多孔質層に含まれる接着剤が300(℃)以上の耐熱温度を有するので、膜電極接合体とガス拡散層とをホットプレス接合する際の、膜電極接合体とガス拡散層との接着性を向上させることができる。また、適用例1の燃料電池では、微細多孔質層に含まれる接着剤が水溶性を有するので、発電中に生成された水により、接着剤の接着力が増大し、発電中の膜電極接合体とガス拡散層との接着性を向上させることもできる。なお、膜電極接合体とガス拡散層とのホットプレス接合は、300(℃)未満の加熱温度で行われる。   In the fuel cell gas diffusion layer of Application Example 4, since the adhesive contained in the microporous layer has a heat resistant temperature of 300 (° C.) or higher, the membrane electrode assembly and the gas diffusion layer are subjected to hot press bonding. The adhesion between the membrane electrode assembly and the gas diffusion layer can be improved. In the fuel cell of Application Example 1, since the adhesive contained in the microporous layer is water-soluble, the adhesive force of the adhesive is increased by water generated during power generation, and membrane electrode joining during power generation is performed. The adhesion between the body and the gas diffusion layer can also be improved. The hot press bonding between the membrane electrode assembly and the gas diffusion layer is performed at a heating temperature of less than 300 (° C.).

[適用例5]
適用例4記載の燃料電池用ガス拡散層であって、
前記接着剤は、セラミック系接着剤である、
燃料電池用ガス拡散層。
[Application Example 5]
A gas diffusion layer for a fuel cell according to Application Example 4,
The adhesive is a ceramic adhesive,
Gas diffusion layer for fuel cells.

適用例5の燃料電池用ガス拡散層では、接着剤として、セラミック系接着剤を用いることによって、300(℃)以上の耐熱温度を確保することができる。なお、セラミック系接着剤とは、非金属無機固体材料をベースとする接着剤である。   In the gas diffusion layer for a fuel cell of Application Example 5, a heat resistant temperature of 300 (° C.) or more can be secured by using a ceramic adhesive as the adhesive. The ceramic adhesive is an adhesive based on a nonmetallic inorganic solid material.

[適用例6]
適用例4または5記載の燃料電池用ガス拡散層であって、
前記微細多孔質層は、さらに、フッ素樹脂からなる微粒子を含み、
前記微細多孔質層における前記接着剤の混合比率は、前記フッ素樹脂からなる微粒子の混合比率以下である、
燃料電池用ガス拡散層。
[Application Example 6]
A fuel cell gas diffusion layer according to Application Example 4 or 5,
The fine porous layer further includes fine particles made of a fluororesin,
The mixing ratio of the adhesive in the fine porous layer is equal to or less than the mixing ratio of the fine particles made of the fluororesin.
Gas diffusion layer for fuel cells.

適用例6の燃料電池用ガス拡散層によって、微細多孔質層を撥水層として機能させることができる。なお、本適用例において、混合比率は、重量比率を意味している。   With the gas diffusion layer for fuel cells of Application Example 6, the fine porous layer can function as a water repellent layer. In this application example, the mixing ratio means a weight ratio.

[適用例7]
燃料電池の製造方法であって、
導電性微粒子と、増粘剤と、水溶性および300(℃)以上の耐熱温度を有する接着剤と、を含むペーストを用意する工程と、
前記燃料電池用ガス拡散層の基材の表面に、前記ペーストを塗布する工程と、
前記塗布された前記ペーストを、300(℃)以上の温度で焼成することによって、前記基材の表面に微細多孔質層を形成する工程と、
前記微細多孔質層と、電解質膜の両面に電極を接合してなる膜電極接合体とをホットプレス接合する工程と、
を備える燃料電池の製造方法。
[Application Example 7]
A fuel cell manufacturing method comprising:
Preparing a paste comprising conductive fine particles, a thickener, and an adhesive having water solubility and a heat resistance temperature of 300 (° C.) or higher;
Applying the paste to the surface of the base material of the fuel cell gas diffusion layer;
Forming the fine porous layer on the surface of the substrate by firing the applied paste at a temperature of 300 (° C.) or higher;
Hot press bonding the microporous layer and a membrane electrode assembly formed by bonding electrodes to both surfaces of the electrolyte membrane;
A method for manufacturing a fuel cell comprising:

適用例7の燃料電池の製造方法によって、適用例1の燃料電池を製造することができる。なお、適用例7の燃料電池の製造方法では、上記ペーストに含まれる増粘剤の多くは、上記ペーストを焼成する際に、気化して減少する。しかし、上記ペーストが上記接着剤を含むので、増粘剤が減少しても、膜電極接合体とガス拡散層との接着性を確保することができる。   The fuel cell of Application Example 1 can be manufactured by the fuel cell manufacturing method of Application Example 7. In the fuel cell manufacturing method according to Application Example 7, most of the thickener contained in the paste is vaporized and reduced when the paste is fired. However, since the paste contains the adhesive, the adhesiveness between the membrane electrode assembly and the gas diffusion layer can be ensured even if the thickener decreases.

また、適用例7の燃料電池の製造方法において、上記ペーストの焼成条件(温度、時間)を調整することによって、上記ペーストに含まれる増粘剤を完全に気化させ、微細多孔質層に増粘剤が含まれないようにすることもできる。増粘剤は、一般に、親水性であるため、この増粘剤が微細多孔質層の撥水性を阻害するおそれがある。そこで、上記ペーストに含まれる増粘剤を完全に気化させ、微細多孔質層に増粘剤が含まれないようにすれば、微細多孔質層の撥水性を向上させることができる。   Further, in the fuel cell manufacturing method of Application Example 7, by adjusting the firing conditions (temperature, time) of the paste, the thickener contained in the paste is completely vaporized to increase the viscosity of the fine porous layer. It is also possible not to include the agent. Since the thickener is generally hydrophilic, the thickener may inhibit the water repellency of the fine porous layer. Therefore, if the thickener contained in the paste is completely vaporized so that the fine porous layer does not contain the thickener, the water repellency of the fine porous layer can be improved.

[適用例8]
燃料電池用ガス拡散層の製造方法であって、
導電性微粒子と、増粘剤と、水溶性および300(℃)以上の耐熱温度を有する接着剤と、を含むペーストを用意する工程と、
前記燃料電池用ガス拡散層の基材の表面に、前記ペーストを塗布する工程と、
前記塗布された前記ペーストを、300(℃)以上の温度で焼成することによって、前記基材の表面に微細多孔質層を形成する工程と、
を備える燃料電池用ガス拡散層の製造方法。
[Application Example 8]
A method for producing a gas diffusion layer for a fuel cell, comprising:
Preparing a paste comprising conductive fine particles, a thickener, and an adhesive having water solubility and a heat resistance temperature of 300 (° C.) or higher;
Applying the paste to the surface of the base material of the fuel cell gas diffusion layer;
Forming the fine porous layer on the surface of the substrate by firing the applied paste at a temperature of 300 (° C.) or higher;
A method for producing a gas diffusion layer for a fuel cell.

適用例8の燃料電池用ガス拡散層の製造方法によって、適用例4の燃料電池用ガス拡散層を製造することができる。なお、適用例8の燃料電池用ガス拡散層の製造方法では、上記ペーストに含まれる増粘剤の多くは、上記ペーストを焼成する際に、気化して減少する。しかし、上記ペーストが上記接着剤を含むので、増粘剤が減少しても、膜電極接合体とガス拡散層との接着性を確保することができる。   The fuel cell gas diffusion layer of Application Example 4 can be manufactured by the method of manufacturing the fuel cell gas diffusion layer of Application Example 8. In addition, in the manufacturing method of the fuel cell gas diffusion layer of Application Example 8, most of the thickener contained in the paste is vaporized and reduced when the paste is fired. However, since the paste contains the adhesive, the adhesiveness between the membrane electrode assembly and the gas diffusion layer can be ensured even if the thickener decreases.

また、適用例8の燃料電池用ガス拡散層の製造方法において、上記ペーストの焼成条件(温度、時間)を調整することによって、上記ペーストに含まれる増粘剤を完全に気化させ、微細多孔質層に増粘剤が含まれないようにすることもできる。増粘剤は、一般に、親水性であるため、この増粘剤が微細多孔質層の撥水性を阻害するおそれがある。そこで、上記ペーストに含まれる増粘剤を完全に気化させ、微細多孔質層に増粘剤が含まれないようにすれば、微細多孔質層の撥水性を向上させることができる。   Further, in the method for producing a gas diffusion layer for a fuel cell of Application Example 8, by adjusting the firing conditions (temperature, time) of the paste, the thickener contained in the paste is completely vaporized, and the fine porous The layer can also be free of thickeners. Since the thickener is generally hydrophilic, the thickener may inhibit the water repellency of the fine porous layer. Therefore, if the thickener contained in the paste is completely vaporized so that the fine porous layer does not contain the thickener, the water repellency of the fine porous layer can be improved.

なお、適用例7の燃料電池の製造方法、および、適用例8の燃料電池用ガス拡散層の製造方法においても、先に示した種々の付加的要素を適用することが可能である。   Note that the various additional elements described above can also be applied to the fuel cell manufacturing method of Application Example 7 and the fuel cell gas diffusion layer manufacturing method of Application Example 8.

本発明の一実施例としての燃料電池100の概略構成を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows schematic structure of the fuel cell 100 as one Example of this invention. 燃料電池100の製造工程を示す説明図である。5 is an explanatory view showing a manufacturing process of the fuel cell 100. FIG. 実施例の燃料電池100の効果を説明するための説明図である。It is explanatory drawing for demonstrating the effect of the fuel cell 100 of an Example.

以下、本発明の実施の形態について、実施例に基づき以下の順序で説明する。
A.燃料電池の構成:
図1は、本発明の一実施例としての燃料電池100の概略構成を示す説明図である。図1(a)に、燃料電池100の断面構造を模式的に示した。また、図1(b)に、微細多孔質層24の構造を模式的に示した。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in the following order based on examples.
A. Fuel cell configuration:
FIG. 1 is an explanatory diagram showing a schematic configuration of a fuel cell 100 as one embodiment of the present invention. FIG. 1A schematically shows a cross-sectional structure of the fuel cell 100. FIG. 1B schematically shows the structure of the fine porous layer 24.

図1(a)に示したように、燃料電池100は、膜電極接合体10とガス拡散層20とを別々に用意して、膜電極接合体10の両面にガス拡散層20を接合してなる。膜電極接合体10は、電解質膜12の両面に、それぞれ、電極としての触媒層14を接合してなる。ガス拡散層20は、ガス拡散層基材22の表面に、微細多孔質層24を形成してなる。   As shown in FIG. 1A, the fuel cell 100 is prepared by separately preparing a membrane electrode assembly 10 and a gas diffusion layer 20, and bonding the gas diffusion layer 20 to both surfaces of the membrane electrode assembly 10. Become. The membrane electrode assembly 10 is formed by joining a catalyst layer 14 as an electrode to both surfaces of an electrolyte membrane 12. The gas diffusion layer 20 is formed by forming a microporous layer 24 on the surface of a gas diffusion layer base material 22.

本実施例では、電解質膜12として、ナフィオン(登録商標)を用いるものとした。電解質膜12として、プロトン伝導性を有する他の固体高分子膜を用いるものとしてもよい。触媒層14は、アイオノマ(例えば、ナフィオン)と、触媒(例えば、白金)を担持した担体(例えば、カーボンブラック)とを含んでいる。また、本実施例では、ガス拡散層基材22として、カーボンペーパー(東レ社製:TGP−60)を用いるものとした。ガス拡散層基材22として、カーボンクロス等、ガス拡散性、および、導電性を有する他の材料を用いるものとしてもよい。   In this embodiment, Nafion (registered trademark) is used as the electrolyte membrane 12. As the electrolyte membrane 12, another solid polymer membrane having proton conductivity may be used. The catalyst layer 14 includes an ionomer (for example, Nafion) and a carrier (for example, carbon black) carrying a catalyst (for example, platinum). In this example, carbon paper (manufactured by Toray Industries, Inc .: TGP-60) is used as the gas diffusion layer base material 22. As the gas diffusion layer base material 22, other materials having gas diffusibility and conductivity such as carbon cloth may be used.

微細多孔質層24は、導電性微粒子としてのカーボンブラック24aと、接着剤24bと、を含んでいる。本実施例では、カーボンブラック24aとして、電気化学工業社製のアセチレンブラックを用いるものとした。導電性微粒子として、他の材料を用いるものとしてもよい。また、本実施例では、接着剤24bとして、米国コトロニクス社製の「Resbond919」を用いるものとした。「Resbond919」は、水溶性を有するセラミック系接着剤であり、マグネシアをベースとし、約1530(℃)の耐熱温度を有する。接着剤24bとして、水溶性および300(℃)以上の耐熱温度を有する他の接着剤を用いるものとしてもよい。なお、本実施例では、接着剤24bの平均粒径は、カーボンブラック24aの平均粒径の1/5〜1/10の粒径であるものとした。接着剤24bの平均粒径、および、接着剤24bの平均粒径は、例えば、動的光散乱法によって測定される。アセチレンブラック(カーボンブラック24a)の平均粒径は、約35(nm)であり、接着剤24bの平均粒径は、約3.5〜7(nm)である。   The microporous layer 24 includes carbon black 24a as conductive fine particles and an adhesive 24b. In this example, acetylene black manufactured by Denki Kagaku Kogyo Co., Ltd. was used as the carbon black 24a. Other materials may be used as the conductive fine particles. In this example, “Resbond 919” manufactured by Kotronics, USA was used as the adhesive 24b. “Resbond 919” is a ceramic adhesive having water solubility, and is based on magnesia and has a heat resistant temperature of about 1530 (° C.). As the adhesive 24b, another adhesive having water solubility and a heat resistance temperature of 300 (° C.) or higher may be used. In this embodiment, the average particle size of the adhesive 24b is 1/5 to 1/10 of the average particle size of the carbon black 24a. The average particle diameter of the adhesive 24b and the average particle diameter of the adhesive 24b are measured by, for example, a dynamic light scattering method. The average particle diameter of acetylene black (carbon black 24a) is about 35 (nm), and the average particle diameter of the adhesive 24b is about 3.5 to 7 (nm).

図1(b)に示したように、微細多孔質層24では、接着剤24bは、カーボンブラック24aの表面にある空隙に入り込んで接着し、連続構造をなす。そして、この構成がバネ性を有することで、膜電極接合体10と接合したときに微細多孔質層24と膜電極接合体10とがよりなじむようになり、アンカー効果を増大させる作用を持つ。   As shown in FIG. 1B, in the microporous layer 24, the adhesive 24b enters and adheres to the voids on the surface of the carbon black 24a to form a continuous structure. And since this structure has a spring property, when it joins with the membrane electrode assembly 10, the fine porous layer 24 and the membrane electrode assembly 10 become more familiar, and it has the effect | action which increases an anchor effect.

微細多孔質層24は、フッ素樹脂からなる微粒子(図示省略)も含んでおり、撥水層として機能する。本実施例では、フッ素樹脂として、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)を用いるものとした。フッ素樹脂として、例えば、PFA等、PTFE以外のフッ素樹脂を用いるものとしてもよい。ただし、微細多孔質層24は、後述するペーストを300(℃)以上の温度で焼成することによって形成されるので、フッ素樹脂として、融点が300(℃)以上のものを用いることが好ましい。   The microporous layer 24 also includes fine particles (not shown) made of a fluororesin and functions as a water repellent layer. In this embodiment, polytetrafluoroethylene (PTFE) is used as the fluororesin. As the fluororesin, for example, a fluororesin other than PTFE such as PFA may be used. However, since the microporous layer 24 is formed by baking a paste described later at a temperature of 300 (° C.) or higher, it is preferable to use a fluororesin having a melting point of 300 (° C.) or higher.

B.燃料電池の製造工程:
図2は、燃料電池100の製造工程を示す説明図である。まず、微細多孔質層24(MPL;Micro Porous Layer)を形成するためのペースト(以下、MPLペーストと言う)を用意する(ステップS100)。MPLペーストは、カーボンブラック24aと、PTFEディスパージョン(PTFEの微粒子を分散させた分散液)と、増粘剤と、接着剤24bと、純水とを混合することによって、調製されている。本実施例では、PTFEディスパージョンとして、三井デュポン・フロロケミカル社製の「31J」を用いるものとした。また、接着剤24bとして、「Resbond919」の溶媒(水)を蒸発させて固形成分のみとし、これを、カーボンブラック24aの平均粒径の1/5〜1/10の粒径となるように解砕して用いた。増粘剤としては、例えば、スチレン−ブタジエンゴム(SBR)ラテックス、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)水分散体、ポリオレフィン類、ポリイミド、PTFE粉、フッ素ゴム、熱硬化性樹脂、ポリウレタン、ポロエチレンオキシド(PEO)、ポリアニリン(PAN),ポリビニリデンフロライド(PVdF)、フッ化プロピレン(HFP)、ポリビニルエーテル/メタクリル酸メチル(PVE/MMA)、カゼイン、でんぷん、アルギン酸アンモニウム、ポリビニルアルコール(PVA)、および、ポリアクリル酸アンモニウム等を用いることができる。
B. Fuel cell manufacturing process:
FIG. 2 is an explanatory view showing a manufacturing process of the fuel cell 100. First, a paste (hereinafter referred to as MPL paste) for forming a microporous layer (MPL) is prepared (step S100). The MPL paste is prepared by mixing carbon black 24a, PTFE dispersion (a dispersion in which PTFE fine particles are dispersed), a thickener, an adhesive 24b, and pure water. In this example, “31J” manufactured by Mitsui DuPont Fluorochemical Co., Ltd. was used as the PTFE dispersion. Further, as the adhesive 24b, the solvent (water) of “Resbond 919” is evaporated to make only a solid component, and this is dissolved so that the average particle diameter of the carbon black 24a is 1/5 to 1/10. Used by crushing. Examples of the thickener include styrene-butadiene rubber (SBR) latex, polytetrafluoroethylene (PTFE) aqueous dispersion, polyolefins, polyimide, PTFE powder, fluoro rubber, thermosetting resin, polyurethane, and polyethylene oxide (PEO). ), Polyaniline (PAN), polyvinylidene fluoride (PVdF), propylene fluoride (HFP), polyvinyl ether / methyl methacrylate (PVE / MMA), casein, starch, ammonium alginate, polyvinyl alcohol (PVA), and poly Ammonium acrylate or the like can be used.

次に、ガス拡散層基材22の表面にMPLペーストを塗布して(ステップS110)、塗布されたMPLペーストを焼成する(ステップS120)。本実施例では、300(℃)の温度でMPLペーストの焼成を行うものとした。このとき、MPLペーストに含まれる増粘剤の多くは、熱によって気化して減少する。以上の製造工程によって、ガス拡散層基材22の表面に微細多孔質層24が形成され、燃料電池100に用いられるガス拡散層20が製造される。   Next, an MPL paste is applied to the surface of the gas diffusion layer base material 22 (step S110), and the applied MPL paste is baked (step S120). In this example, the MPL paste was fired at a temperature of 300 (° C.). At this time, most of the thickener contained in the MPL paste is evaporated by heat and decreases. Through the above manufacturing process, the fine porous layer 24 is formed on the surface of the gas diffusion layer base material 22, and the gas diffusion layer 20 used in the fuel cell 100 is manufactured.

そして、ガス拡散層20における微細多孔質層24と膜電極接合体10とをホットプレス接合する(ステップS130)。本実施例では、微細多孔質層24と膜電極接合体10とを、130(℃)の加熱温度、3(MPa)の圧力で、ホットプレス接合するものとした。以上の製造工程によって、燃料電池100が製造される。   Then, the microporous layer 24 in the gas diffusion layer 20 and the membrane electrode assembly 10 are hot-press bonded (Step S130). In this example, the microporous layer 24 and the membrane electrode assembly 10 were hot press bonded at a heating temperature of 130 (° C.) and a pressure of 3 (MPa). The fuel cell 100 is manufactured by the above manufacturing process.

C.実施例の効果:
図3は、実施例の燃料電池100の効果を説明するための説明図である。MPLペーストにおける接着剤24bの添加量、および、MPLペーストの焼成温度を変化させて製造した燃料電池(実施例1〜12、比較例1〜3)における膜電極接合体10とガス拡散層20との接着強度についての90度剥離試験の試験結果を示した。この90度剥離試験とは、膜電極接合体10とガス拡散層20との角度が常に90度に保たれた状態で剥離する剥離試験である。
C. Effects of the embodiment:
FIG. 3 is an explanatory diagram for explaining the effect of the fuel cell 100 of the embodiment. Membrane / electrode assembly 10 and gas diffusion layer 20 in fuel cells (Examples 1 to 12 and Comparative Examples 1 to 3) manufactured by changing the addition amount of the adhesive 24b in the MPL paste and the firing temperature of the MPL paste The results of a 90-degree peel test on the adhesive strength of the are shown. This 90 degree peel test is a peel test in which the angle between the membrane electrode assembly 10 and the gas diffusion layer 20 is always kept at 90 degrees.

なお、各MPLペーストにおいて、カーボンブラック24aとPTFEとの混合比率(重量比率)は、それぞれ80:20であるものとした。また、接着剤24bの添加量は、カーボンブラック24aとPTFEとの合計重量を100として設定した。また、MPLペーストは、固形成分(カーボンブラック24a、PTFE、接着剤24b)の混合比率(重量比率)が20(%)となるように、溶媒である純水によって調製した。   In each MPL paste, the mixing ratio (weight ratio) of carbon black 24a and PTFE was 80:20, respectively. The amount of adhesive 24b added was set with the total weight of carbon black 24a and PTFE being 100. The MPL paste was prepared with pure water as a solvent so that the mixing ratio (weight ratio) of the solid components (carbon black 24a, PTFE, adhesive 24b) was 20 (%).

図3(a)に、MPLペーストの焼成温度を300(℃)とした場合の試験結果を示した。接着剤添加量を0.1(%),1.0(%),5.0(%),10.0(%)としたすべての実施例1〜4の燃料電池において、接着剤添加量を0(%)とした比較例1の燃料電池よりも剥離力が大きくなった。すなわち、MLPペーストに接着剤24bを添加することによって、膜電極接合体10とガス拡散層20との接着性が向上した。   FIG. 3A shows the test results when the firing temperature of the MPL paste is 300 (° C.). In all the fuel cells of Examples 1 to 4 in which the adhesive addition amount was 0.1 (%), 1.0 (%), 5.0 (%), and 10.0 (%), the adhesive addition amount The peel strength was larger than that of the fuel cell of Comparative Example 1 in which 0 was set to 0 (%). That is, the adhesion between the membrane electrode assembly 10 and the gas diffusion layer 20 was improved by adding the adhesive 24b to the MLP paste.

図3(b)に、MPLペーストの焼成温度を310(℃)とした場合の試験結果を示した。接着剤添加量を0.1(%),1.0(%),5.0(%),10.0(%)としたすべての実施例5〜8の燃料電池において、接着剤添加量を0(%)とした比較例2の燃料電池よりも剥離力が大きくなった。すなわち、MPLペーストに接着剤24bを添加することによって、膜電極接合体10とガス拡散層20との接着性が向上した。また、実施例1〜8の燃料電池では、MPLペーストの焼成温度を変化させても、剥離力が変化しなかった。一方、比較例2の燃料電池では、比較例1の燃料電池よりも剥離力が低下した。これは、比較例2の燃料電池では、比較例1の燃料電池よりもMPLペーストの焼成温度が高いため、微細多孔質層24に含まれる増粘剤が気化して減少したからである。   FIG. 3B shows the test results when the firing temperature of the MPL paste is 310 (° C.). In all the fuel cells of Examples 5 to 8 in which the adhesive addition amount was 0.1 (%), 1.0 (%), 5.0 (%), and 10.0 (%), the adhesive addition amount The peel strength was larger than that of the fuel cell of Comparative Example 2 in which is set to 0 (%). That is, the adhesiveness between the membrane electrode assembly 10 and the gas diffusion layer 20 was improved by adding the adhesive 24b to the MPL paste. Further, in the fuel cells of Examples 1 to 8, even when the firing temperature of the MPL paste was changed, the peeling force did not change. On the other hand, the peel strength of the fuel cell of Comparative Example 2 was lower than that of the fuel cell of Comparative Example 1. This is because, in the fuel cell of Comparative Example 2, the firing temperature of the MPL paste is higher than that of the fuel cell of Comparative Example 1, and thus the thickener contained in the microporous layer 24 is reduced by evaporation.

図3(c)に、実施例5〜8、および、比較例2の燃料電池で発電を行い、発電直後の燃料電池(実施例9〜12、比較例3の燃料電池)についての試験結果を示した。なお、発電条件は、以下の通りである。   FIG. 3 (c) shows the test results for the fuel cells (Examples 9 to 12 and the fuel cell of Comparative Example 3) immediately after the power is generated by the fuel cells of Examples 5 to 8 and Comparative Example 2. Indicated. The power generation conditions are as follows.

<発電条件>
冷却水温度:60(℃)
負荷電流密度:0.8(A/cm2)で一定
エアストイキ比:1.5
水素ストイキ比:1.2
保持時間:8時間
<Power generation conditions>
Cooling water temperature: 60 (° C)
Load current density: 0.8 (A / cm 2 ) constant Air stoichiometric ratio: 1.5
Hydrogen stoichiometric ratio: 1.2
Retention time: 8 hours

接着剤添加量を0(%)とした比較例3の燃料電池では、発電の前後で、剥離力が変化しなかった。一方、接着剤添加量を0.1(%),1.0(%),5.0(%),10.0(%)としたすべての実施例9〜12の燃料電池において、剥離力が、発電前の実施例5〜8の燃料電池の約2倍に増大した。これは、接着剤24bが水溶性であるため、発電によって生成された水により、接着剤24bの接着力が増大したためと考えられる。   In the fuel cell of Comparative Example 3 in which the amount of adhesive added was 0 (%), the peeling force did not change before and after power generation. On the other hand, in all the fuel cells of Examples 9 to 12 in which the adhesive addition amount was 0.1 (%), 1.0 (%), 5.0 (%), 10.0 (%) However, it increased about twice as much as the fuel cell of Examples 5-8 before power generation. This is probably because the adhesive 24b is water-soluble, and the adhesive force of the adhesive 24b is increased by water generated by power generation.

以上説明した本実施例の燃料電池100では、微細多孔質層24に含まれる接着剤24bが300(℃)以上の耐熱温度を有するので、微細多孔質層24に含まれる増粘剤が減少しても、膜電極接合体10とガス拡散層20とをホットプレス接合する際の、膜電極接合体10とガス拡散層20との接着性を向上させることができる。また、本実施例の燃料電池100では、微細多孔質層24に含まれる接着剤24bが水溶性を有するので、発電中に生成された水により、接着剤24bの接着力が増大し、発電中の膜電極接合体10とガス拡散層20との接着性を向上させることもできる。   In the fuel cell 100 of the present embodiment described above, since the adhesive 24b included in the fine porous layer 24 has a heat resistance temperature of 300 (° C.) or more, the thickener contained in the fine porous layer 24 is reduced. However, the adhesion between the membrane electrode assembly 10 and the gas diffusion layer 20 when the membrane electrode assembly 10 and the gas diffusion layer 20 are hot-press bonded can be improved. In the fuel cell 100 of the present embodiment, the adhesive 24b included in the microporous layer 24 is water-soluble, so that the adhesive force of the adhesive 24b is increased by the water generated during power generation, and power generation is in progress. The adhesion between the membrane electrode assembly 10 and the gas diffusion layer 20 can also be improved.

また、本実施例の燃料電池100では、接着剤24bとして、セラミック系接着剤を用いているので、300(℃)以上の耐熱温度を確保することができる。   Further, in the fuel cell 100 of the present embodiment, since a ceramic adhesive is used as the adhesive 24b, a heat resistant temperature of 300 (° C.) or more can be secured.

また、本実施例の燃料電池100では、MPLペースト、微細多孔質層24がPTFEからなる微粒子を含み、接着剤24bの混合比率(重量比率)がPTFEの混合比率(重量比率)以下であるので、微細多孔質層24を撥水層として機能させることができる。   Further, in the fuel cell 100 of the present embodiment, the MPL paste, the microporous layer 24 contains fine particles made of PTFE, and the mixing ratio (weight ratio) of the adhesive 24b is equal to or less than the mixing ratio (weight ratio) of PTFE. The fine porous layer 24 can function as a water repellent layer.

また、本実施例のガス拡散層20の製造工程、および、燃料電池100の製造工程では、MPLペーストの焼成条件(温度、時間)を調整することによって、MPLペーストに含まれる増粘剤を完全に気化させ、微細多孔質層24に増粘剤が含まれないようにすることもできる。増粘剤は、一般に、親水性であるため、この増粘剤が微細多孔質層24の撥水性を阻害するおそれがある。そこで、MPLペーストに含まれる増粘剤を完全に気化させ、微細多孔質層24に増粘剤が含まれないようにすれば、微細多孔質層24の撥水性を向上させることができる。   Further, in the manufacturing process of the gas diffusion layer 20 and the manufacturing process of the fuel cell 100 of this embodiment, the thickener contained in the MPL paste is completely adjusted by adjusting the firing conditions (temperature, time) of the MPL paste. The fine porous layer 24 can be made to contain no thickener. Since the thickener is generally hydrophilic, the thickener may inhibit the water repellency of the fine porous layer 24. Therefore, if the thickener contained in the MPL paste is completely vaporized so that the fine porous layer 24 does not contain the thickener, the water repellency of the fine porous layer 24 can be improved.

D.変形例:
以上、本発明のいくつかの実施の形態について説明したが、本発明はこのような実施の形態になんら限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内において種々なる態様での実施が可能である。例えば、以下のような変形が可能である。
D. Variation:
As mentioned above, although several embodiment of this invention was described, this invention is not limited to such embodiment at all, and implementation in various aspects is possible within the range which does not deviate from the summary. It is. For example, the following modifications are possible.

D1.変形例1:
上記実施例では、MPLペーストの焼成温度を、300(℃)、または、310(℃)としたが、本発明は、これに限られない。MPLペーストの焼成温度は、300(℃)以上の温度であって、ガス拡散層基材22、および、微細多孔質層24が熱によって変質しない範囲内の温度であればよい。例えば、上記実施例では、微細多孔質層24、MPLペーストに、フッ素樹脂としてのPTFEが含まれるので、MPLペーストの焼成温度は、PTFEの融点である327(℃)未満に設定される。
D1. Modification 1:
In the said Example, although the baking temperature of MPL paste was 300 (degreeC) or 310 (degreeC), this invention is not limited to this. The firing temperature of the MPL paste is a temperature of 300 (° C.) or higher, and may be a temperature within a range in which the gas diffusion layer base material 22 and the fine porous layer 24 are not altered by heat. For example, in the above embodiment, PTFE as a fluororesin is contained in the microporous layer 24 and the MPL paste, and therefore the firing temperature of the MPL paste is set to less than 327 (° C.) which is the melting point of PTFE.

D2.変形例2:
上記実施例では、微細多孔質層24、MPLペーストは、フッ素樹脂(PTFE)からなる微粒子を含むのもとしたが、本発明は、これに限られない。微細多孔質層24、MPLペーストが、フッ素樹脂からなる微粒子を含まないものとしてもよい。
D2. Modification 2:
In the above embodiment, the fine porous layer 24 and the MPL paste include fine particles made of fluororesin (PTFE), but the present invention is not limited to this. The fine porous layer 24 and the MPL paste may not include fine particles made of a fluororesin.

D3.変形例3:
上記実施例では、燃料電池100は、膜電極接合体10の両面にガス拡散層20が接合されるものとしたが、本発明は、これに限られない。膜電極接合体10の一方の表面にガス拡散層20が接合されるものとしてもよい。
D3. Modification 3:
In the above embodiment, in the fuel cell 100, the gas diffusion layer 20 is bonded to both surfaces of the membrane electrode assembly 10, but the present invention is not limited to this. The gas diffusion layer 20 may be bonded to one surface of the membrane electrode assembly 10.

100…燃料電池
10…膜電極接合体
12…電解質膜
14…触媒層
20…ガス拡散層
22…ガス拡散層基材
24…微細多孔質層
24a…カーボンブラック
24b…接着剤
DESCRIPTION OF SYMBOLS 100 ... Fuel cell 10 ... Membrane electrode assembly 12 ... Electrolyte membrane 14 ... Catalyst layer 20 ... Gas diffusion layer 22 ... Gas diffusion layer base material 24 ... Fine porous layer 24a ... Carbon black 24b ... Adhesive

Claims (8)

燃料電池であって、
電解質膜の両面に電極を接合してなる膜電極接合体と、
前記膜電極接合体の表面に接合されたガス拡散層であって、前記膜電極接合体との接合面に、微細多孔質層が形成されたガス拡散層と、
を備え、
前記微細多孔質層は、導電性微粒子と、水溶性および300(℃)以上の耐熱温度を有する接着剤と、を含む、
燃料電池。
A fuel cell,
A membrane electrode assembly formed by bonding electrodes to both surfaces of the electrolyte membrane;
A gas diffusion layer bonded to the surface of the membrane electrode assembly, the gas diffusion layer having a microporous layer formed on the bonding surface with the membrane electrode assembly, and
With
The fine porous layer includes conductive fine particles and an adhesive having water solubility and a heat resistant temperature of 300 (° C.) or higher.
Fuel cell.
請求項1記載の燃料電池であって、
前記接着剤は、セラミック系接着剤である、
燃料電池。
The fuel cell according to claim 1, wherein
The adhesive is a ceramic adhesive,
Fuel cell.
請求項1または2記載の燃料電池であって、
前記微細多孔質層は、さらに、フッ素樹脂からなる微粒子を含み、
前記微細多孔質層における前記接着剤の混合比率は、前記フッ素樹脂からなる微粒子の混合比率以下である、
燃料電池。
The fuel cell according to claim 1 or 2,
The fine porous layer further includes fine particles made of a fluororesin,
The mixing ratio of the adhesive in the fine porous layer is equal to or less than the mixing ratio of the fine particles made of the fluororesin.
Fuel cell.
燃料電池用ガス拡散層であって、
前記燃料電池用ガス拡散層の基材と、
前記基材の表面に形成された微細多孔質層であって、導電性微粒子と、水溶性および300(℃)以上の耐熱温度を有する接着剤と、を含む微細多孔質層と、
を備える燃料電池用ガス拡散層。
A gas diffusion layer for a fuel cell,
A base material for the fuel cell gas diffusion layer;
A microporous layer formed on the surface of the substrate, the microporous layer comprising conductive fine particles and an adhesive having water solubility and a heat resistance temperature of 300 (° C.) or higher;
A gas diffusion layer for a fuel cell comprising:
請求項4記載の燃料電池用ガス拡散層であって、
前記接着剤は、セラミック系接着剤である、
燃料電池用ガス拡散層。
A gas diffusion layer for a fuel cell according to claim 4,
The adhesive is a ceramic adhesive,
Gas diffusion layer for fuel cells.
請求項4または5記載の燃料電池用ガス拡散層であって、
前記微細多孔質層は、さらに、フッ素樹脂からなる微粒子を含み、
前記微細多孔質層における前記接着剤の混合比率は、前記フッ素樹脂からなる微粒子の混合比率以下である、
燃料電池用ガス拡散層。
A gas diffusion layer for a fuel cell according to claim 4 or 5,
The fine porous layer further includes fine particles made of a fluororesin,
The mixing ratio of the adhesive in the fine porous layer is equal to or less than the mixing ratio of the fine particles made of the fluororesin.
Gas diffusion layer for fuel cells.
燃料電池の製造方法であって、
導電性微粒子と、増粘剤と、水溶性および300(℃)以上の耐熱温度を有する接着剤と、を含むペーストを用意する工程と、
料電池用ガス拡散層の基材の表面に、前記ペーストを塗布する工程と、
前記塗布された前記ペーストを、300(℃)以上の温度で焼成することによって、前記基材の表面に微細多孔質層を形成する工程と、
前記微細多孔質層と、電解質膜の両面に電極を接合してなる膜電極接合体とをホットプレス接合する工程と、
を備える燃料電池の製造方法。
A fuel cell manufacturing method comprising:
Preparing a paste comprising conductive fine particles, a thickener, and an adhesive having water solubility and a heat resistance temperature of 300 (° C.) or higher;
On the surface of the base material of the fuel cell gas diffusion layer, a step of applying said paste,
Forming the fine porous layer on the surface of the substrate by firing the applied paste at a temperature of 300 (° C.) or higher;
Hot press bonding the microporous layer and a membrane electrode assembly formed by bonding electrodes to both surfaces of the electrolyte membrane;
A method for manufacturing a fuel cell comprising:
燃料電池用ガス拡散層の製造方法であって、
導電性微粒子と、増粘剤と、水溶性および300(℃)以上の耐熱温度を有する接着剤と、を含むペーストを用意する工程と、
前記燃料電池用ガス拡散層の基材の表面に、前記ペーストを塗布する工程と、
前記塗布された前記ペーストを、300(℃)以上の温度で焼成することによって、前記基材の表面に微細多孔質層を形成する工程と、
を備える燃料電池用ガス拡散層の製造方法。
A method for producing a gas diffusion layer for a fuel cell, comprising:
Preparing a paste comprising conductive fine particles, a thickener, and an adhesive having water solubility and a heat resistance temperature of 300 (° C.) or higher;
Applying the paste to the surface of the base material of the fuel cell gas diffusion layer;
Forming the fine porous layer on the surface of the substrate by firing the applied paste at a temperature of 300 (° C.) or higher;
A method for producing a gas diffusion layer for a fuel cell.
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