JP6245350B2 - GAS DIFFUSIVE POROUS LAYER, GAS DIFFUSIVE LAYER CONTAINING THE SAME, PROCESS FOR PRODUCING THE GAS DIFFUSIVE POROUS LAYER, AND MEMBRANE / ELECTRODE ASSEMBLE - Google Patents

GAS DIFFUSIVE POROUS LAYER, GAS DIFFUSIVE LAYER CONTAINING THE SAME, PROCESS FOR PRODUCING THE GAS DIFFUSIVE POROUS LAYER, AND MEMBRANE / ELECTRODE ASSEMBLE Download PDF

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Description

本発明は、ガス拡散多孔層、これを含むガス拡散層、および該ガス拡散層の製造方法ならびに膜電極接合体に関するものである。   The present invention relates to a gas diffusion porous layer, a gas diffusion layer including the gas diffusion layer, a method for producing the gas diffusion layer, and a membrane electrode assembly.

プロトン伝導性固体高分子膜を用いた固体高分子形燃料電池は、例えば、固体酸化物形燃料電池や溶融炭酸塩形燃料電池など、他のタイプの燃料電池と比較して低温で作動する。このため、固体高分子形燃料電池は、定置用電源や、自動車などの移動体用動力源として期待されており、その実用も開始されている。   A solid polymer fuel cell using a proton conductive solid polymer membrane operates at a lower temperature than other types of fuel cells such as a solid oxide fuel cell and a molten carbonate fuel cell. For this reason, the polymer electrolyte fuel cell is expected as a stationary power source or a power source for a moving body such as an automobile, and its practical use has been started.

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(MEA)をセパレータで挟持した構造となっている。電解質膜−電極接合体は、電解質膜が一対の触媒層および一対のガス拡散層により挟持されてなるものである。なお、固体高分子形燃料電池においては、上述の構成を有する単セルが複数積層され、スタックが形成されて用いられるのが一般的である。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。また、ガス拡散層も供給された反応ガスを電極へと均一に供給するために一般的に多孔性のものが用いられる。   The polymer electrolyte fuel cell generally has a structure in which an electrolyte membrane-electrode assembly (MEA) is sandwiched between separators. The electrolyte membrane-electrode assembly is formed by sandwiching an electrolyte membrane between a pair of catalyst layers and a pair of gas diffusion layers. In a polymer electrolyte fuel cell, a plurality of single cells having the above-described configuration are generally stacked to form a stack. 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. In addition, a porous material is generally used to uniformly supply the reaction gas supplied to the gas diffusion layer to the electrodes.

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、燃料極(アノード)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、燃料極側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固体高分子電解質膜を通り、酸素極(カソード)側電極触媒層に達する。また、燃料極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酸素極側電極触媒層に達する。そして、酸素極側電極触媒層に達したプロトンおよび電子は酸素極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。   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 fuel electrode (anode) 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 fuel electrode side electrode catalyst layer and the solid polymer electrolyte membrane in contact with the electrode catalyst layer, and reach the oxygen electrode (cathode) side electrode catalyst layer. . Electrons generated in the fuel electrode side electrode catalyst layer include a conductive carrier constituting the electrode catalyst layer, a gas diffusion layer in contact with a different side of the electrode catalyst layer from the solid polymer electrolyte membrane, a separator, and It reaches the oxygen electrode side electrode catalyst layer through an external circuit. The protons and electrons that reach the oxygen electrode side electrode catalyst layer react with oxygen contained in the oxidant gas supplied to the oxygen electrode 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.

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、および酸素極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、特に酸素極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。   Under operating conditions such as high humidification and high current density, the amount of water that moves with the protons that move through the polymer electrolyte membrane from the anode to the cathode, and the water that forms in the oxygen electrode-side electrode catalyst layer The amount of generated water increases. At this time, these produced waters particularly stay in the oxygen electrode-side electrode catalyst layer and cause 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.

したがって、ガス拡散層などの燃料電池用の部材には、水分を効率よく排出する排水性も必要となる。   Therefore, a member for a fuel cell such as a gas diffusion layer is required to have a drainage property for efficiently discharging moisture.

このため、ガス拡散層の少なくとも一方の面には通常、カーボンおよび撥水剤を含む微細孔層を形成する。撥水剤としては、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)などのフッ素系樹脂などが主に用いられてきた。特開2004−221056号公報では、導電性材料であるカーボン粒子、および撥水剤であるPTFEからなる撥水性層を基材であるカーボンペーパー上に形成し、さらに、触媒層と撥水性層との密着性を向上させる目的で、カーボンブラックと、炭素繊維と、ナフィオン(登録商標)等のパーフルオロアルキレンスルホン酸高分子とから構成される親水性層を撥水性層と触媒層との間に配置している。撥水性層にPTFEなどのフッ素系樹脂などが主に用いられてきた理由としては、生成水を排出するのに必要な撥水性がある、運転条件に耐える耐熱性、熱水・水蒸気・酸化劣化に耐えることができる、触媒被毒をもたらさないなどの理由があった。   For this reason, a microporous layer containing carbon and a water repellent is usually formed on at least one surface of the gas diffusion layer. As the water repellent, a fluorine resin such as polytetrafluoroethylene (PTFE) has been mainly used. In Japanese Patent Application Laid-Open No. 2004-221056, a water repellent layer composed of carbon particles as a conductive material and PTFE as a water repellent agent is formed on a carbon paper as a base material. In order to improve the adhesion of the resin, a hydrophilic layer composed of carbon black, carbon fiber, and a perfluoroalkylenesulfonic acid polymer such as Nafion (registered trademark) is interposed between the water repellent layer and the catalyst layer. It is arranged. The reason why fluorine-based resins such as PTFE have been mainly used for the water-repellent layer is that it has water repellency necessary to discharge generated water, heat resistance that can withstand operating conditions, hot water, water vapor, and oxidative degradation There are reasons such as being able to withstand, and not causing catalyst poisoning.

しかしながら、特開2004−221056号公報のようにフッ素系樹脂を含む撥水性層が存在する系では、特に高湿条件下や高電流密度領域において撥水性層が目詰りを起こしてガス拡散性能が低下し、燃料電池の発電性能が低下するといった問題があった。   However, in a system in which a water-repellent layer containing a fluorine-based resin is present as in JP-A-2004-221056, the water-repellent layer is clogged particularly in a high humidity condition or in a high current density region, resulting in gas diffusion performance. There has been a problem that the power generation performance of the fuel cell is lowered.

そこで、本発明の一目的は、ガス拡散性能が高く、高湿条件下であっても燃料電池の発電性能が向上したガス拡散多孔層を提供することである。   Accordingly, an object of the present invention is to provide a gas diffusion porous layer having high gas diffusion performance and improved power generation performance of a fuel cell even under high humidity conditions.

本発明は、ガス拡散多孔層が、カーボン粒子の他、表面接触角が90°以下である親水性ポリマーを含有し、かつ、ガス拡散多孔層の表面接触角が90°以下である点に特徴を有する。   The present invention is characterized in that the gas diffusion porous layer contains, in addition to carbon particles, a hydrophilic polymer having a surface contact angle of 90 ° or less, and the surface contact angle of the gas diffusion porous layer is 90 ° or less. Have

本発明の一実施形態に係る固体高分子形燃料電池の基本構成を示す概略断面図である。1は固体高分子形燃料電池(PEFC)、2は固体高分子電解質膜、3は触媒層、3aはアノード触媒層、3cはカソード触媒層、4aはアノードガス拡散層、4cはカソードガス拡散層、5aはアノードセパレータ、5cはカソードセパレータ、6aはアノードガス流路、6cはカソードガス流路、7は冷媒流路、10は電解質膜−電極接合体(MEA)を示す。It is a schematic sectional drawing which shows the basic composition of the polymer electrolyte fuel cell which concerns on one Embodiment of this invention. 1 is a polymer electrolyte fuel cell (PEFC), 2 is a polymer electrolyte membrane, 3 is a catalyst layer, 3a is an anode catalyst layer, 3c is a cathode catalyst layer, 4a is an anode gas diffusion layer, and 4c is a cathode gas diffusion layer 5a is an anode separator, 5c is a cathode separator, 6a is an anode gas flow path, 6c is a cathode gas flow path, 7 is a refrigerant flow path, and 10 is an electrolyte membrane-electrode assembly (MEA). ガス拡散層(4a、4c)の一実施形態を示す拡大断面模式図である。20はガス拡散層基材、21はガス拡散多孔層を示す。It is an expanded section schematic diagram showing one embodiment of a gas diffusion layer (4a, 4c). Reference numeral 20 denotes a gas diffusion layer substrate, and 21 denotes a gas diffusion porous layer. 実施例および比較例のガス拡散能を示す図である。It is a figure which shows the gas diffusion capability of an Example and a comparative example. 実施例および比較例で作成したガス拡散層を用いた発電セルの構成を示す概略模式図である。It is a schematic diagram which shows the structure of the electric power generation cell using the gas diffusion layer created in the Example and the comparative example. 実施例および比較例の発電評価結果(電流−電圧曲線)を示す図である。It is a figure which shows the electric power generation evaluation result (current-voltage curve) of an Example and a comparative example.

本発明の一実施形態は、カーボン粒子及び、表面接触角が90°以下である親水性ポリマーを有し、かつ、表面接触角が90°以下のガス拡散多孔層である。該ガス拡散多孔層は、燃料電池および膜電極接合体の部材として用いられ、好適には触媒層とガス拡散層基材との間に配置されて、フラッディング現象を抑制する働きを有する。   One embodiment of the present invention is a gas diffusion porous layer having carbon particles and a hydrophilic polymer having a surface contact angle of 90 ° or less and a surface contact angle of 90 ° or less. The gas diffusion porous layer is used as a member of a fuel cell and a membrane electrode assembly, and is preferably disposed between the catalyst layer and the gas diffusion layer base material and has a function of suppressing a flooding phenomenon.

従来、フラッディング現象を抑制するために、ガス拡散層基材と触媒層との間に、特開2004−221056号公報のようにPTFEなどの撥水性のフッ素系樹脂を含むカーボン層が配置されていた。しかしながら、PTFEなどのフッ素系樹脂は高価であり、燃料電池のコスト上昇の要因となっていた。また、フッ素系樹脂はスラリー塗布後、高温で焼成する必要があり、エネルギーコストの点でもデメリットを有していた。   Conventionally, in order to suppress the flooding phenomenon, a carbon layer containing a water-repellent fluororesin such as PTFE has been disposed between the gas diffusion layer base material and the catalyst layer as disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2004-221056. It was. However, fluororesins such as PTFE are expensive, which has been a factor in increasing the cost of fuel cells. In addition, the fluorine-based resin needs to be fired at a high temperature after slurry application, and has a disadvantage in terms of energy cost.

そこで、本発明者らは、PTFEなどのフッ素系樹脂を用いない系で、ガス拡散性能、電池抵抗および電池性能の点で、PTFEなどのフッ素系樹脂を用いた場合と同等およびそれ以上の性能を有する層構成を模索し、親水性ポリマーを用いるという本発明の構成に至ったものである。   Accordingly, the present inventors are a system that does not use a fluorine resin such as PTFE, and is equivalent to or better than the case where a fluorine resin such as PTFE is used in terms of gas diffusion performance, battery resistance, and battery performance. The present inventors have sought a layer structure having a slag and have used the hydrophilic polymer to arrive at the structure of the present invention.

触媒層とガス拡散層基材との間に配置されるガス拡散多孔層は、生成した水の排出性が要求されるため、従来撥水性材料が用いられてきた。しかしながら、本発明者らは驚くべきことに親水性ポリマーを多孔層に用いた場合であっても、水を効率的に排水する機能を有しており、高湿条件下ではフッ素系樹脂よりもむしろ親水性ポリマーを用いたほうが排水性が高く、電池性能が向上することを見出したのである。ゆえに、本発明によれば、親水性ポリマーを用いてガス拡散多孔層を形成することによって、ガス拡散性が高く、高湿条件下であってもガス拡散多孔層の排水性が良好であるガス拡散多孔層が得られる。   Since the gas diffusion porous layer disposed between the catalyst layer and the gas diffusion layer base material is required to discharge the generated water, a water-repellent material has been conventionally used. However, the present inventors surprisingly have a function of efficiently draining water even when a hydrophilic polymer is used in the porous layer, and in a high-humidity condition, compared with a fluororesin. Rather, it was found that using a hydrophilic polymer has higher drainage and battery performance is improved. Therefore, according to the present invention, by forming a gas diffusion porous layer using a hydrophilic polymer, the gas diffusion property is high and the gas diffusion porous layer has good drainage properties even under high humidity conditions. A diffusion porous layer is obtained.

親水性ポリマーがかような排水機能を有している詳細なメカニズムは不明であるが、以下のように推測される。なお、本発明は下記メカニズムに何ら拘束されるものではない。PTFEなどのフッ素系樹脂をガス拡散多孔層に用いた場合、撥水性能は高いため、撥水速度は速い。しかしながら、特に高湿条件下や、多量の水が生成する高電流密度領域になると、その撥水性に起因して水滴が大きな粒となり、ガスの拡散によっても排水がうまくいかなくなり、ガス拡散層が水により閉塞を起こし電池性能が低下する場合があると考えられる。一方、親水性ポリマーはある程度水になじむため、水の拡散が緩やかで、徐々に下層(セパレータ側)へと水を拡散することができ、空孔率の高いガス拡散層基材へと徐々に水を押出すことができる。さらに、親水性ポリマーを用いたガス拡散多孔層においては、水が面方向にも拡散することができるため、特定の場所で水が生成したとしても、層全体で水を排出する機構が働き、特定の箇所の機能が喪失するといった問題も生じにくい。   The detailed mechanism by which the hydrophilic polymer has such a drainage function is unknown, but is presumed as follows. In addition, this invention is not restrained by the following mechanism at all. When a fluorine resin such as PTFE is used for the gas diffusion porous layer, the water repellency is high and the water repellency is high. However, especially in high-humidity conditions or in a high current density region where a large amount of water is generated, water droplets become large particles due to the water repellency, and the drainage does not work well due to gas diffusion, and the gas diffusion layer becomes It is considered that the battery performance may be lowered due to water blocking. On the other hand, the hydrophilic polymer is compatible with water to some extent, so the diffusion of water is gradual, it can gradually diffuse into the lower layer (separator side), and gradually into the gas diffusion layer substrate with a high porosity. Water can be extruded. Furthermore, in the gas diffusion porous layer using a hydrophilic polymer, since water can also diffuse in the surface direction, even if water is generated in a specific place, a mechanism for discharging water in the entire layer works, Problems such as loss of functions at specific locations are also unlikely to occur.

このため、特に、高湿条件下や高電流密度領域であっても、生成水を徐々に排水することができ、結果として水を効率的に排水することができるものと考えられる。   For this reason, it is thought that generated water can be drained gradually even under high humidity conditions or in a high current density region, and as a result, water can be drained efficiently.

また、親水性ポリマーを用いた場合、フッ素系樹脂を用いて多孔層を形成する際に必要な高温焼成が不要であり、また、高温焼成に耐えうる耐熱性の塗布基材を用いる必要もない。このため、多孔層を生産する際のコストを低減することができ、さらに生産時のエネルギーコストを低減することもできる。さらに、PTFEの分散液を多孔層の形成に用いる場合、使用前に固化しないようにPTFEの分散液を緩やかに撹拌する必要があったり、カーボン粒子などと混練する際に強いせん断をかけるとPTFEが結晶化するため、一度の材料投入は難しいため、生産効率がよくなかった。親水性ポリマーを用いて多孔層を形成する際には、材料の投入が1工程で可能であるため、生産性が向上するといった利点もある。   In addition, when a hydrophilic polymer is used, high-temperature baking necessary for forming a porous layer using a fluororesin is unnecessary, and it is not necessary to use a heat-resistant coating substrate that can withstand high-temperature baking. . For this reason, the cost at the time of producing a porous layer can be reduced, and also the energy cost at the time of production can be reduced. Further, when a PTFE dispersion is used for forming a porous layer, it is necessary to gently stir the PTFE dispersion so that it does not solidify before use, or when a strong shear is applied when kneading with carbon particles, etc. Since crystallization occurs, it is difficult to input the material once, so that the production efficiency is not good. When forming a porous layer using a hydrophilic polymer, since the material can be input in one step, there is an advantage that productivity is improved.

以下、適宜図面を参照しながら、本発明の燃料電池の一実施形態を詳細に説明する。しかし、本発明は、以下の実施形態のみには制限されない。なお、各図面は説明の便宜上誇張されて表現されており、各図面における各構成要素の寸法比率が実際とは異なる場合がある。また、本発明の実施の形態を図面を参照しながら説明した場合では、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。   Hereinafter, an embodiment of a fuel cell of the present invention will be described in detail with reference to the drawings as appropriate. However, the present invention is not limited only to the following embodiments. Each drawing is exaggerated for convenience of explanation, and the dimensional ratio of each component in each drawing may be different from the actual one. Further, in the case where the embodiment of the present invention is described with reference to the drawings, the same reference numerals are given to the same elements in the description of the drawings, and redundant description is omitted.

また、本明細書において、範囲を示す「X〜Y」は「X以上Y以下」を意味する。また、特記しない限り、操作および物性等の測定は室温(20〜25℃)/相対湿度40〜50%の条件で測定する。   In this specification, “X to Y” indicating a range means “X or more and Y or less”. Unless otherwise specified, measurement of operation and physical properties is performed under conditions of room temperature (20 to 25 ° C.) / Relative humidity 40 to 50%.

[燃料電池]
燃料電池は、膜電極接合体(MEA)と、燃料ガスが流れる燃料ガス流路を有するアノード側セパレータと酸化剤ガスが流れる酸化剤ガス流路を有するカソード側セパレータとからなる一対のセパレータとを有する。
[Fuel cell]
A fuel cell includes a membrane electrode assembly (MEA), a pair of separators including an anode side separator having a fuel gas flow path through which fuel gas flows and a cathode side separator having an oxidant gas flow path through which oxidant gas flows. Have.

図1は、本発明の一実施形態に係る固体高分子形燃料電池(PEFC)1の基本構成を示す概略図である。PEFC1は、まず、固体高分子電解質膜2と、これを挟持する一対の触媒層(アノード触媒層3aおよびカソード触媒層3c)とを有する。そして、固体高分子電解質膜2と触媒層(3a、3c)との積層体はさらに、一対のガス拡散層(GDL)(アノードガス拡散層4aおよびカソードガス拡散層4c)により挟持されている。このように、固体高分子電解質膜2、一対の触媒層(3a、3c)および一対のガス拡散層(4a、4c)は、積層された状態で膜電極接合体(MEA)10を構成する。ここで、アノードガス拡散層4aおよびカソードガス拡散層4cは、触媒層(3a、3c)側にガス拡散多孔層を有する。   FIG. 1 is a schematic diagram showing a basic configuration of a polymer electrolyte fuel cell (PEFC) 1 according to an embodiment of the present invention. The PEFC 1 first includes a solid polymer electrolyte membrane 2 and a pair of catalyst layers (an anode catalyst layer 3a and a cathode catalyst layer 3c) that sandwich the membrane. The laminate of the solid polymer electrolyte membrane 2 and the catalyst layers (3a, 3c) is further sandwiched between a pair of gas diffusion layers (GDL) (anode gas diffusion layer 4a and cathode gas diffusion layer 4c). Thus, the polymer electrolyte membrane 2, the pair of catalyst layers (3a, 3c), and the pair of gas diffusion layers (4a, 4c) constitute a membrane electrode assembly (MEA) 10 in a stacked state. Here, the anode gas diffusion layer 4a and the cathode gas diffusion layer 4c have a gas diffusion porous layer on the catalyst layer (3a, 3c) side.

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

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

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

なお、図1に示す実施形態においては、セパレータ(5a、5c)は凹凸状の形状に成形されている。ただし、セパレータは、かような凹凸状の形態のみに限定されるわけではなく、ガス流路および冷媒流路の機能を発揮できる限り、平板状、一部凹凸状などの任意の形態であってもよい。   In addition, in embodiment shown in FIG. 1, the separator (5a, 5c) is shape | molded by the uneven | corrugated shape. However, the separator is not limited to such a concavo-convex shape, and may be any form such as a flat plate shape and a partially concavo-convex shape as long as the functions of the gas flow path and the refrigerant flow path can be exhibited. Also good.

[ガス拡散層]
ガス拡散層は、ガス拡散多孔層に加えてガス拡散層基材を含むことが好ましい。
[Gas diffusion layer]
The gas diffusion layer preferably includes a gas diffusion layer base material in addition to the gas diffusion porous layer.

図2は、ガス拡散層(4a、4c)の一実施形態を示す拡大断面模式図である。図2において、ガス拡散層は、ガス拡散層基材20と、基材上に隣接して配置されるガス拡散多孔層21からなる。ガス拡散多孔層21は、図1の触媒層(3a、3c)側に配置される。   FIG. 2 is an enlarged schematic cross-sectional view showing an embodiment of the gas diffusion layers (4a, 4c). In FIG. 2, the gas diffusion layer includes a gas diffusion layer substrate 20 and a gas diffusion porous layer 21 disposed adjacent to the substrate. The gas diffusion porous layer 21 is disposed on the catalyst layer (3a, 3c) side of FIG.

本発明のガス拡散層は、上記図2の形態に限定されず、ガス拡散層基材と、ガス拡散多孔層との間に中間層を設けてもよいが、図2のガス拡散層基材上に直接ガス拡散多孔層が配置されてなる形態が好ましい。すなわち、ガス拡散層基材および前記基材上に隣接して配置されるガス拡散多孔層を有する、ガス拡散層であることが好ましい。かような形態であると、ガス拡散層全体の抵抗が上昇することなく、排水を効率的に行うことができ、電池特性が向上するためである。   The gas diffusion layer of the present invention is not limited to the form shown in FIG. 2, and an intermediate layer may be provided between the gas diffusion layer substrate and the gas diffusion porous layer. A form in which a gas diffusion porous layer is directly disposed on top is preferable. That is, it is preferably a gas diffusion layer having a gas diffusion layer base material and a gas diffusion porous layer disposed adjacent to the base material. This is because drainage can be efficiently performed without increasing the resistance of the entire gas diffusion layer, and battery characteristics are improved.

また、ガス拡散多孔層は、アノードガス拡散層およびカソードガス拡散層のいずれか一方に設けられてもよく、また、双方に設けられてもよいが、カソード側で水が生成するため、少なくともカソード側に設けることが好ましく、より好ましくは双方のガス拡散層にガス拡散多孔層を設ける形態である。   Further, the gas diffusion porous layer may be provided in either one of the anode gas diffusion layer and the cathode gas diffusion layer, or may be provided in both of them, but at least the cathode is formed because water is generated on the cathode side. Preferably, the gas diffusion porous layer is provided on both gas diffusion layers.

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

ガス拡散層(4a、4c)の基材(ガス拡散層基材)を構成する材料は特に限定されず、従来公知の知見が適宜参照されうる。例えば、カーボンペーパー、カーボンクロス等の炭素繊維で形成された炭素製の織物、紙状抄紙体、フェルト、不織布といった導電性および多孔質性を有するシート状材料;ならびに金網、発泡金属、エキスパンドメタル、パンチングメタル、エッチングプレート、精密プレス加工プレート、金属メッシュ、金属細線焼結体、金属不織布などが挙げられる。   The material which comprises the base material (gas diffusion layer base material) of a gas diffusion layer (4a, 4c) is not specifically limited, A conventionally well-known knowledge can be referred suitably. For example, carbon paper, carbon cloth formed from carbon fibers such as carbon cloth, paper-like paper body, felt, non-woven sheet material such as non-woven fabric; and wire mesh, foam metal, expanded metal, A punching metal, an etching plate, a precision press working plate, a metal mesh, a metal fine wire sintered body, a metal nonwoven fabric, etc. are mentioned.

ガス拡散層基材の厚さは、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。基材の厚さがかような範囲内の値であれば、機械的強度とガスおよび水などの拡散性とのバランスが適切に制御されうる。   The thickness of the gas diffusion layer substrate may be appropriately determined in consideration of the characteristics of the obtained gas diffusion layer, but may be about 30 to 500 μm. If the thickness of the substrate is within such a range, the balance between mechanical strength and diffusibility such as gas and water can be appropriately controlled.

ガス拡散層基材は、撥水剤を含むことが好ましい。撥水剤としては、特に限定されず、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、ポリエチレンなどの従来公知の撥水剤を用いてもよい。撥水処理方法は特に制限されず、一般的な撥水処理方法を用いて行えばよい。例えば、ガス拡散層に用いられる基材を撥水剤の分散液に浸漬した後、オーブン等で加熱乾燥させる方法などが挙げられる。また、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)の多孔体にカーボン粒子を含浸させて焼結させたシート体を用いてもよい。シート体とすることによって、製造工程が簡易になり、また、燃料電池10の各部材を積層する際の取り扱い及び組み立てが容易になる。   The gas diffusion layer substrate preferably contains a water repellent. The water repellent is not particularly limited, and is a fluorine-based polymer such as polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylidene fluoride (PVdF), polyhexafluoropropylene, and tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer (FEP). Conventionally known water repellents such as molecular materials, polypropylene, and polyethylene may be used. The water repellent treatment method is not particularly limited, and may be performed using a general water repellent treatment method. For example, after immersing the base material used for a gas diffusion layer in the dispersion liquid of a water repellent agent, the method of heat-drying with oven etc. is mentioned. Alternatively, a sheet body in which a porous body of polytetrafluoroethylene (PTFE) is impregnated with carbon particles and sintered may be used. By using the sheet body, the manufacturing process is simplified, and handling and assembly when the members of the fuel cell 10 are stacked are facilitated.

ガス拡散層基材は、その他の添加剤を有していてもよい。添加剤としては、導電性カーボン、分散剤、分散助剤などが挙げられる。   The gas diffusion layer substrate may have other additives. Examples of the additive include conductive carbon, a dispersant, and a dispersion aid.

[ガス拡散多孔層]
ガス拡散多孔層(MPL層、マイクロポーラス層、微多孔層または微細多孔層とも呼ばれる)は、表面接触角が90°以下である親水性ポリマーおよびカーボン粒子を含有する。
[Gas diffusion porous layer]
The gas diffusion porous layer (also referred to as MPL layer, microporous layer, microporous layer or microporous layer) contains a hydrophilic polymer having a surface contact angle of 90 ° or less and carbon particles.

また、ガス拡散多孔層の表面接触角は90°以下である。このため、ガス拡散多孔層は、上記ガス拡散層基材の欄で記載したようなPTFEなどの撥水剤を実質的に含有しない。したがって、高湿条件下や、高電流密度領域であっても、生成水を徐々に排水することができ、結果として水を効率的に排水することができるものと考えられる。なお、「実質的に含有しない」とは、撥水剤を本発明の効果を奏さない程度に含んでしまう(例えば、ガス拡散層基材中の撥水剤のコンタミネーションなど)形態を除外するものではなく、微量(例えば、ガス拡散多孔層中、1重量%以下)の撥水剤を含んでいてもよい。また、ガス拡散多孔層の表面接触角は75°以下であることが好ましい。ガス拡散多孔層の表面接触角の下限は特に限定されるものではないが、通常、5°以上である。   Further, the surface contact angle of the gas diffusion porous layer is 90 ° or less. For this reason, the gas diffusion porous layer does not substantially contain a water repellent such as PTFE as described in the column of the gas diffusion layer base material. Therefore, it is considered that the generated water can be drained gradually even under high humidity conditions or in a high current density region, and as a result, water can be drained efficiently. Note that “substantially not containing” excludes a form in which the water repellent is included to the extent that the effects of the present invention are not exerted (for example, contamination of the water repellent in the gas diffusion layer base material). It may contain a small amount of water repellent (for example, 1% by weight or less in the gas diffusion porous layer). The surface contact angle of the gas diffusion porous layer is preferably 75 ° or less. The lower limit of the surface contact angle of the gas diffusion porous layer is not particularly limited, but is usually 5 ° or more.

ガス拡散多孔層の厚さは、特に制限されず、ガス拡散性および抵抗を考慮して適宜決定すればよい。ガス拡散多孔層の厚さは、好ましく3〜500μmであり、より好ましくは5〜300μmである。かような範囲にあれば、機械的強度とガスおよび水などの透過性とのバランスが適切に制御できる。   The thickness of the gas diffusion porous layer is not particularly limited, and may be appropriately determined in consideration of gas diffusibility and resistance. The thickness of the gas diffusion porous layer is preferably 3 to 500 μm, more preferably 5 to 300 μm. Within such a range, the balance between mechanical strength and permeability such as gas and water can be appropriately controlled.

親水性ポリマーおよびカーボン粒子の含有重量比は特に限定されるものではないが、ガス拡散多孔層の機械的強度および電気抵抗を考慮すると、重量比でカーボン粒子:親水性ポリマー=1:0.1〜10であることが好ましく、1:0.2〜5であることがより好ましい。   The weight ratio of the hydrophilic polymer and the carbon particles is not particularly limited, but considering the mechanical strength and electric resistance of the gas diffusion porous layer, the weight ratio of carbon particles: hydrophilic polymer = 1: 0.1. It is preferable that it is -10, and it is more preferable that it is 1: 0.2-5.

(カーボン粒子)
カーボン粒子としては、特に限定されず、カーボンブラック、繊維状黒鉛、鱗片状黒鉛、球状黒鉛などの黒鉛、膨張黒鉛などの従来公知の材料が適宜採用されうる。なかでも、電子伝導性に優れ、溶媒に対する分散性が良好であり、ガス拡散性が向上するなどの理由から、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、鱗片状黒鉛を用いることが好ましく、粒子あたりの表面積が小さく、粒子径が均一であるために、溶媒に対する分散性がより良好であることから、アセチレンブラック、鱗片状黒鉛を用いることがより好ましい。
(Carbon particles)
The carbon particles are not particularly limited, and conventionally known materials such as carbon black, fibrous graphite, flaky graphite, graphite such as spherical graphite, and expanded graphite can be appropriately employed. Among them, carbon black such as oil furnace black, channel black, lamp black, thermal black, and acetylene black, scaly for reasons such as excellent electron conductivity, good dispersibility in solvents, and improved gas diffusibility. It is preferable to use flaky graphite, and since the surface area per particle is small and the particle diameter is uniform, the dispersibility in the solvent is better, and therefore acetylene black and flaky graphite are more preferably used.

かようなカーボン粒子は、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HS100、デンカブラックAB6などのアセチレンブラック等が挙げられる。また、カーボン粒子としては、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であってもよい。また、耐食性などを向上させるために、前記カーボン粒子に黒鉛化処理などの加工を行ってもよい。   A commercially available product can be used for such carbon particles, such as Vulcan XC-72, Vulcan P, Black Pearls 880, Black Pearls 1100, Black Pearls 1300, Black Pearls 2000, Legal 400, and Ketchen manufactured by Lion. Examples include black EC, oil furnace black such as # 3150 and # 3250 manufactured by Mitsubishi Chemical Corporation; acetylene black such as Denka Black HS100 and Denka Black AB6 manufactured by Denki Kagaku Kogyo. In addition to carbon black, the carbon particles may be natural graphite, pitch, coke, polyacrylonitrile, artificial graphite obtained from an organic compound such as phenol resin, furan resin, carbon, or the like. Moreover, in order to improve corrosion resistance etc., you may process the said carbon particle, such as a graphitization process.

カーボン粒子は、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。   Carbon particles may be used alone or in the form of a mixture of two or more.

カーボン粒子の平均粒径(直径)は、特に制限されないが、ガス透過性、導電性などを考慮すると、カーボン粒子の平均粒径(平均一次粒子径)は、2〜250nmであることが好ましく、10〜100nmであることがより好ましい。このような範囲であれば、ガス拡散係数が向上し、毛細管力による高い排水性が得られるとともに、触媒層との接触性も向上させることが可能となる。ここで、カーボン粒子の大きさは、公知の方法によって測定できるが、本明細書では、特に言及のない限り、走査型電子顕微鏡(SEM)や透過型電子顕微鏡(TEM)などの観察手段を用い、統計学的に有意な数の視野(例えば、数〜数十視野)中に観察される粒子の粒子径(直径)の平均値として算出される値を採用するものとする。また、「粒径」とは、粒子の輪郭線上の任意の2点間の距離のうち、最大の距離を意味するものとする。   The average particle diameter (diameter) of the carbon particles is not particularly limited, but considering the gas permeability, conductivity, etc., the average particle diameter (average primary particle diameter) of the carbon particles is preferably 2 to 250 nm, More preferably, it is 10-100 nm. Within such a range, the gas diffusion coefficient is improved, high drainage due to capillary force is obtained, and the contact property with the catalyst layer can be improved. Here, the size of the carbon particles can be measured by a known method. In the present specification, unless otherwise specified, an observation means such as a scanning electron microscope (SEM) or a transmission electron microscope (TEM) is used. A value calculated as an average value of particle diameters (diameters) of particles observed in a statistically significant number of visual fields (for example, several to several tens of visual fields) shall be adopted. The “particle diameter” means the maximum distance among the distances between any two points on the particle outline.

また、カーボン粒子の平均粒径(平均二次粒子径)は、0.5〜25μm程度とするのがよい。これにより、ガス拡散係数が向上し、毛細管力による高い排水性が得られるとともに、触媒層との接触性も向上させることが可能となる。ここで、カーボン粒子の平均二次粒子径の測定は、走査型電子顕微鏡(SEM)や透過型電子顕微鏡(TEM)などの観察手段を用い、数〜数十視野中に観察される粒子の粒子径の平均値として算出される値を採用するものとする。   The average particle size (average secondary particle size) of the carbon particles is preferably about 0.5 to 25 μm. As a result, the gas diffusion coefficient is improved, high drainage due to capillary force is obtained, and the contact property with the catalyst layer can be improved. Here, the measurement of the average secondary particle diameter of the carbon particles is performed using observation means such as a scanning electron microscope (SEM) or a transmission electron microscope (TEM). The value calculated as the average value of the diameters shall be adopted.

また、カーボン粒子の比表面積は、表面積が小さいことが好まれることから、1〜100m/gであることが好ましく、5〜50m/gであることがより好ましい。The specific surface area of the carbon particles is preferably 1 to 100 m 2 / g and more preferably 5 to 50 m 2 / g because the surface area is preferably small.

(表面接触角が90°以下である親水性ポリマー)
本明細書において、親水性ポリマーは表面接触角が90°以下であり、かつ以下で定義される水溶性ポリマーではないポリマーを指す。これは、水溶性ポリマーであると電池稼働時に発生する生成水によってポリマーが溶解してしまい、バインダーとしての保持機能を有さなくなってしまうためである。親水性ポリマーの表面接触角の下限は、5°以上であることが好ましく、25°以上であることがより好ましく、50°以上であることがより好ましい。なお、上記特開2004−221056号公報の親水性層に用いられているナフィオン(登録商標)は表面接触角が約100°である。表面接触角は水に対する表面接触角であり、下記実施例に記載の方法により測定された値を採用する。
(Hydrophilic polymer with a surface contact angle of 90 ° or less)
In the present specification, the hydrophilic polymer refers to a polymer having a surface contact angle of 90 ° or less and not a water-soluble polymer as defined below. This is because if the water-soluble polymer is used, the polymer is dissolved by the generated water generated when the battery is operated, and the holding function as a binder is not provided. The lower limit of the surface contact angle of the hydrophilic polymer is preferably 5 ° or more, more preferably 25 ° or more, and more preferably 50 ° or more. Note that Nafion (registered trademark) used in the hydrophilic layer of JP-A-2004-221056 has a surface contact angle of about 100 °. The surface contact angle is a surface contact angle with respect to water, and a value measured by the method described in the following examples is adopted.

親水性ポリマーとしては、ナイロン6、ナイロン66、ナイロン610、ナイロン612、ナイロン11、ナイロン12、ナイロン46などのポリアミド樹脂、アクリル系樹脂、スチレン−アクリル系樹脂、セルロース、ポリエーテルサルホンなどが挙げられる。親水性ポリマーとしては市販品を用いることもできる。   Examples of the hydrophilic polymer include polyamide resins such as nylon 6, nylon 66, nylon 610, nylon 612, nylon 11, nylon 12, and nylon 46, acrylic resins, styrene-acrylic resins, cellulose, and polyethersulfone. It is done. A commercial item can also be used as a hydrophilic polymer.

中でも、溶媒溶解性が良好で、多孔質層を容易に形成できることから、親水性ポリマーとして、可溶性ポリアミド樹脂を用いることが好ましい。   Among them, it is preferable to use a soluble polyamide resin as the hydrophilic polymer because the solvent solubility is good and the porous layer can be easily formed.

可溶性ポリアミド樹脂とは、アルコール、アルコールと芳香族系溶媒との混合物、またはアルコールとケトン系溶媒との混合物のいずれか100重量部に対して、1重量部以上、好ましくは5重量部以上、より好ましくは10重量部以上が完全に溶解可能なポリアミドである。アルコールとしては、例えば、メタノール、エタノール、n−プロパノール、イソプロピルアルコールなど挙げられ、芳香族系溶媒としては、例えば、ベンゼン、トルエンなどが挙げられ、ケトン系溶媒としては、例えば、シクロヘキサノン、2−ブタノン、シクロペンタノンが挙げられる。アルコールと芳香族系溶媒との混合物の具体例としては、イソプロピルアルコールとトルエンとの混合物(重量混合比 50:50〜3:97程度)を挙げることができる。   The soluble polyamide resin is 1 part by weight or more, preferably 5 parts by weight or more, based on 100 parts by weight of any one of alcohol, a mixture of alcohol and aromatic solvent, or a mixture of alcohol and ketone solvent. Preferably, 10 parts by weight or more of the polyamide is completely soluble. Examples of the alcohol include methanol, ethanol, n-propanol, and isopropyl alcohol. Examples of the aromatic solvent include benzene and toluene. Examples of the ketone solvent include cyclohexanone and 2-butanone. And cyclopentanone. Specific examples of the mixture of alcohol and aromatic solvent include a mixture of isopropyl alcohol and toluene (weight mixing ratio of about 50:50 to 3:97).

可溶性ポリアミド樹脂は、例えば、ポリアミドを可溶化することで得ることができる。前記可溶化の方法としては、適宜公知の方法により、例えば、各種ポリアミドのアミド結合の水素原子をメトキシメチル基で一部置換する方法が挙げられる。ポリアミドにメトキシ基を導入するとアミド基が有する水素結合能力が失われ、ポリアミドの結晶性が阻害されるため、溶媒への溶解性が増大する。また、前記可溶化の方法としては、例えば、可溶化前のポリアミドの分子中にポリエーテルやポリエステルを導入して共重合体とする方法が挙げられる。可溶化前のポリアミドとしては、ナイロン6、ナイロン66、ナイロン610、ナイロン11、ナイロン12、ナイロン46などが挙げられる。   The soluble polyamide resin can be obtained, for example, by solubilizing polyamide. Examples of the solubilization method include a method in which a part of the amide bond hydrogen atom of various polyamides is partially substituted with a methoxymethyl group by an appropriately known method. When a methoxy group is introduced into a polyamide, the hydrogen bonding ability of the amide group is lost, and the crystallinity of the polyamide is inhibited, so that the solubility in a solvent is increased. Examples of the solubilization method include a method of introducing a polyether or polyester into a polyamide molecule before solubilization to obtain a copolymer. Examples of the polyamide before solubilization include nylon 6, nylon 66, nylon 610, nylon 11, nylon 12, and nylon 46.

可溶性ポリアミドの具体例としては、Zytel 61(デュポン株式会社製)、Versalon(ゼネラルミルズ社製)、アミランCM4000、CM4001、CM8000(東レ株式会社製)、PA−100(富士化成工業株式会社製)、トレジン(ナガセケムテックス株式会社製)等を例示することができる。   Specific examples of the soluble polyamide include Zytel 61 (manufactured by DuPont), Versalon (manufactured by General Mills), Amilan CM4000, CM4001, CM8000 (manufactured by Toray Industries, Inc.), PA-100 (manufactured by Fuji Kasei Kogyo Co., Ltd.), Examples include Toresin (manufactured by Nagase ChemteX Corporation).

また、他の可溶性ポリアミドとしては、ダイマー酸をベースとしたもの、例えば、大豆油、桐油等の脂肪酸の二量体であるダイマー酸と例えばエチレンジアミン、ジエチレントリアミン等のアルキルジアミン等の反応で得られる生成物である可溶性ポリアミド樹脂を挙げることができる。具体的なものとしては、マクロメルト6212、6217、6238、6239(ヘンケル社製)、DPX927、1175、1196(ヘンケル社製)等が挙げられる。   In addition, as other soluble polyamides, products obtained by reaction of dimer acid based dimer acid, for example, dimer acid of fatty acid such as soybean oil and tung oil, and alkyl diamine such as ethylenediamine and diethylenetriamine The soluble polyamide resin which is a thing can be mentioned. Specific examples thereof include Macromelt 6212, 6217, 6238, 6239 (manufactured by Henkel), DPX927, 1175, 1196 (manufactured by Henkel).

上記可溶性ポリアミド樹脂は1種単独で用いてもよいし、2種以上併用してもよい。   The said soluble polyamide resin may be used individually by 1 type, and may be used together 2 or more types.

親水性ポリマーにおけるポリマーとは、単量体の重合物であれば足り、親水性ポリマーの重量平均分子量は、特に限定されるものではないが、通常、500〜500万の範囲にある。重量平均分子量(Mw)は、標準物質としてポリスチレンを用いたゲルパーミエーションクロマトグラフィー(GPC)により測定される。   The polymer in the hydrophilic polymer is sufficient if it is a polymer of monomers, and the weight average molecular weight of the hydrophilic polymer is not particularly limited, but is usually in the range of 500 to 5,000,000. The weight average molecular weight (Mw) is measured by gel permeation chromatography (GPC) using polystyrene as a standard substance.

ガス拡散多孔層における親水性ポリマーの含有量は、ガス拡散多孔層内の空隙構造が所望の特性となるように適宜調整すればよい。具体的には、親水性ポリマーの含有量は、ガス拡散多孔層の全重量に対して好ましくは1〜90重量%、より好ましくは2〜70重量%の範囲であるのが好ましい。親水性ポリマーの配合割合が1重量%以上であれば粒子同士を良好に結合でき、90重量%以下であればガス拡散多孔層の電気抵抗の上昇を防止しうる。   What is necessary is just to adjust suitably content of the hydrophilic polymer in a gas diffusion porous layer so that the space | gap structure in a gas diffusion porous layer may become a desired characteristic. Specifically, the content of the hydrophilic polymer is preferably 1 to 90% by weight, more preferably 2 to 70% by weight, based on the total weight of the gas diffusion porous layer. If the blending ratio of the hydrophilic polymer is 1% by weight or more, the particles can be bonded well, and if it is 90% by weight or less, an increase in electric resistance of the gas diffusion porous layer can be prevented.

[ガス拡散多孔層の製造方法]
ガス拡散多孔層の製造方法の好適な一実施形態は、親水性ポリマー、カーボン粒子および溶媒を混合して混合物を得る工程(1)と、該混合物を塗布基材上に塗布し、その後乾燥して塗布基材上にガス拡散多孔層を形成する工程(2)と、を含む。さらに、通常は、工程(2)の後に、塗布基材からガス拡散多孔層を剥離する工程(3)を含む。
[Production method of gas diffusion porous layer]
One preferred embodiment of the method for producing a gas diffusion porous layer is a step (1) of mixing a hydrophilic polymer, carbon particles and a solvent to obtain a mixture, and applying the mixture onto a coated substrate, followed by drying. And (2) forming a gas diffusion porous layer on the coated substrate. Furthermore, the process (3) which peels a gas diffusion porous layer from an application | coating base material is usually included after a process (2).

(工程(1))
工程(1)では、親水性ポリマー、カーボン粒子および溶媒を混合して混合物を得る。
(Process (1))
In step (1), a hydrophilic polymer, carbon particles and a solvent are mixed to obtain a mixture.

工程(1)において用いられる親水性ポリマー、カーボン粒子の種類は上記と同様であるため、ここでは説明を省略する。   Since the types of the hydrophilic polymer and carbon particles used in the step (1) are the same as described above, the description thereof is omitted here.

工程(1)において用いられる溶媒としては、用いられる親水性ポリマーによって適宜選択すればよい。具体的には、水、メタノール、エタノール、1−プロパノール、2−プロパノール等のアルコール系溶媒、ペンタン、ヘキサン、ヘプタン、オクタン、ノナン、n−デカン、n−ドデカン、n−トリデカン、テトラデカン、シクロヘキサン、シクロペンタン等の脂肪族炭化水素系溶媒およびベンゼン、トルエン、キシレン、2−メチルナフタレン等の芳香族炭化水素系溶媒などの石油系溶媒、酢酸エチル、酢酸メチル、酢酸ブチル、プロピオン酸ブチル、酪酸ブチル等のエステル系溶媒、クロロホルム、ブロモホルム、塩化メチレン、四塩化炭素、1,2−ジクロロエタン、1,1,1−トリクロロエタン、クロロベンゼン、2,6−ジクロロトルエン、ヘキサフルオロイソプロパノール等のハロゲン化炭化水素系溶媒、アセトン、メチルエチルケトン、メチルイソブチルケトン、メチルブチルケトン等のケトン系溶媒、N−メチル−2−ピロリドン(NMP)、ジメチルスルホキシド(DMSO)、N,N−ジメチルホルムアミド(DMF)、N,N−ジメチルアセトアミド(DMA)、プロピレンカーボネート、トリメチルリン酸、1,3−ジメチル−2−イミダゾリジノン、スルホラン等の非プロトン性極性溶媒、ギ酸、酢酸、プロピオン酸、酪酸、乳酸等のカルボン酸溶媒、アニソール、ジエチルエーテル、テトラヒドロフラン、ジイソプロピルエーテル、ジオキサン、ジグライム、ジメトキシエタン等のエーテル系溶媒あるいはこれらの混合物が挙げられる。中でも、アルコール系溶媒、エーテル系溶媒、ケトン系溶媒および石油系溶媒などの非水系溶媒を用いることが好ましい。また、上記好適な親水性ポリマーである可溶性ポリアミド樹脂を用いた場合には、分散助剤が不要であることから、アルコール系溶媒、エーテル系溶媒、ケトン系溶媒を用いることがより好ましい。   What is necessary is just to select suitably as a solvent used in a process (1) with the hydrophilic polymer used. Specifically, alcohol solvents such as water, methanol, ethanol, 1-propanol, 2-propanol, pentane, hexane, heptane, octane, nonane, n-decane, n-dodecane, n-tridecane, tetradecane, cyclohexane, Petroleum solvents such as aliphatic hydrocarbon solvents such as cyclopentane and aromatic hydrocarbon solvents such as benzene, toluene, xylene and 2-methylnaphthalene, ethyl acetate, methyl acetate, butyl acetate, butyl propionate, butyl butyrate Ester solvents such as chloroform, bromoform, methylene chloride, carbon tetrachloride, 1,2-dichloroethane, 1,1,1-trichloroethane, chlorobenzene, 2,6-dichlorotoluene, hexafluoroisopropanol, and other halogenated hydrocarbons Solvent, acetone, methyl ether Ketone solvents such as ruketone, methyl isobutyl ketone, methyl butyl ketone, N-methyl-2-pyrrolidone (NMP), dimethyl sulfoxide (DMSO), N, N-dimethylformamide (DMF), N, N-dimethylacetamide (DMA) ), Aprotic polar solvents such as propylene carbonate, trimethyl phosphoric acid, 1,3-dimethyl-2-imidazolidinone, sulfolane, carboxylic acid solvents such as formic acid, acetic acid, propionic acid, butyric acid, lactic acid, anisole, diethyl ether , Tetrahydrofuran, diisopropyl ether, dioxane, diglyme, dimethoxyethane, and other ether solvents or mixtures thereof. Of these, non-aqueous solvents such as alcohol solvents, ether solvents, ketone solvents, and petroleum solvents are preferably used. In addition, when a soluble polyamide resin, which is the preferred hydrophilic polymer, is used, it is more preferable to use an alcohol-based solvent, an ether-based solvent, or a ketone-based solvent because a dispersion aid is unnecessary.

上記混合物は、その他、界面活性剤などの分散助剤、造孔剤、粘度調整剤などの添加剤を含んでいてもよい。   In addition, the mixture may contain additives such as a dispersion aid such as a surfactant, a pore-forming agent, and a viscosity modifier.

本工程において、親水性ポリマー、カーボン粒子、および溶媒の添加順序は、特に制限されず、全成分を一括して混合する;上記いずれかの成分を混合した後、残りの部分を添加する;上記いずれかの成分を順次混合する、のいずれでもよい。好ましくは、親水性ポリマーを溶媒に溶解した後、カーボン粒子を得られた溶液に添加することが好ましい。これにより、親水性ポリマーが容易にかつ均一に溶媒に溶解できる。   In this step, the order of addition of the hydrophilic polymer, the carbon particles, and the solvent is not particularly limited, and all the components are mixed together; after mixing any of the above components, the remaining portion is added; Either of the components may be mixed sequentially. Preferably, it is preferable to dissolve the hydrophilic polymer in a solvent and then add the carbon particles to the obtained solution. Thereby, the hydrophilic polymer can be easily and uniformly dissolved in the solvent.

工程(1)において混合物中の固形分濃度は、5〜50重量%であることが好ましく、10〜25重量%であることがより好ましい。混合物中の固形分濃度を上記範囲内とすることで、ポリマーが均一に分散され、また、塗膜厚が容易に確保されることから好ましい。   In the step (1), the solid content concentration in the mixture is preferably 5 to 50% by weight, and more preferably 10 to 25% by weight. By setting the solid content concentration in the mixture within the above range, it is preferable because the polymer is uniformly dispersed and the coating thickness is easily secured.

また、工程(1)の混合物中の親水性ポリマーおよびカーボン粒子の混合比は、得られるガス拡散多孔層の双方の含有重量比を考慮して適宜設定されるが、重量比でカーボン粒子:親水性ポリマー=1:0.1〜10であることが好ましく、1:0.2〜5であることがより好ましい。   Further, the mixing ratio of the hydrophilic polymer and the carbon particles in the mixture of the step (1) is appropriately set in consideration of the content weight ratio of both of the obtained gas diffusion porous layers. It is preferable that it is 1: 0.1-10, and it is more preferable that it is 1: 0.2-5.

上記したようにして親水性ポリマー、カーボン粒子および溶媒を混合した後、必要により、均質化、粉砕化を目的として、脱泡処理、攪拌(攪拌)処理や粉砕処理を行ってもよい。脱泡処理、攪拌(攪拌)処理及び粉砕処理は、いずれか一を行ってもあるいは2種以上を適宜組み合わせて行ってもよい。このうち、攪拌(混錬)処理に用いられる機械としては、以下に制限されないが、自公転式攪拌脱泡ミキサー、真空攪拌脱泡ミキサー、可変速攪拌脱泡ミキサー、攪拌子(スターラー)、超音波分散器などを用いることができる。また、粉砕処理に用いられる機械としては、以下に制限されないが、ボールミルやビーズミルなどの球状メディアで衝撃を与えるミリング装置、二本ロールや三本ロールなどのローラー間隙で剪断応力を加える装置、ホモジナイザーやミキサーなどの撹拌羽根を回す装置、被粉砕体同士を衝突させるジェットミル装置などを用いることができる。粉砕条件(回転数、時間等)は適宜設定すればよい。   After mixing the hydrophilic polymer, the carbon particles, and the solvent as described above, if necessary, defoaming treatment, stirring (stirring) treatment, and grinding treatment may be performed for the purpose of homogenization and pulverization. The defoaming process, the stirring (stirring) process, and the pulverizing process may be performed in any one or in combination of two or more. Among these, the machine used for the stirring (kneading) treatment is not limited to the following, but is a self-revolving stirring defoaming mixer, vacuum stirring defoaming mixer, variable speed stirring defoaming mixer, stirrer (stirrer), ultra A sonic disperser or the like can be used. In addition, the machine used for the pulverization is not limited to the following, but is a milling device that gives impact with a spherical media such as a ball mill or a bead mill, a device that applies a shear stress in a roller gap such as a two-roll or three-roll, a homogenizer A device that rotates stirring blades such as a mixer or a jet mill device that collides the objects to be crushed can be used. What is necessary is just to set grinding | pulverization conditions (rotation speed, time, etc.) suitably.

また、上記脱泡処理、攪拌(攪拌)処理または粉砕処理を行った後、粗大粒子を除去する目的で濾過を行ってもよい。濾過方法としては、常圧で行う自然濾過、吸引濾過、加圧濾過、遠心濾過のいずれであってもよい。   Moreover, you may filter for the purpose of removing a coarse particle, after performing the said deaeration process, stirring (stirring) process, or a grinding | pulverization process. The filtration method may be natural filtration performed at normal pressure, suction filtration, pressure filtration, or centrifugal filtration.

(工程(2))
工程(2)では、工程(1)で得た混合物を塗布基材上に塗布し、その後乾燥して塗布基材上に多孔層を形成する。
(Process (2))
In the step (2), the mixture obtained in the step (1) is applied on the coated substrate and then dried to form a porous layer on the coated substrate.

混合物を塗布基材に塗布した後、乾燥することで、カーボン粒子に親水性ポリマーが吸着し、スラリー中の溶媒が揮発することで、層内が多孔となると考えられる。   It is considered that, after the mixture is applied to the coating substrate, the hydrophilic polymer is adsorbed on the carbon particles and the solvent in the slurry is volatilized, whereby the inside of the layer becomes porous.

用いられる塗布基材は特に限定されるものではない。従来のPTFEを用いた系では、後工程の高温焼成に耐えうる基材(例えば、ポリイミドフィルム)を用いる必要があったため、コスト高の一因となっていた。本発明に用いられる親水性ポリマーでは高温焼成は必要ないため、乾燥および熱プレスに耐えうる樹脂であれば広く用いることができる。塗布基材としては具体的には、ポリプロピレンフィルム、ポリエチレンフィルム;PTFE(ポリテトラフルオロエチレン)フィルム、PET(ポリエチレンテレフタレート)フィルム等の、ポリエステルフィルム;ポリイミドフィルム、ポリスルホンシートなどが挙げられる。中でも、安価であることから、ポリプロピレンフィルム、ポリエチレンフィルム、PET(ポリエチレンテレフタレート)フィルムなどを塗布基材として用いることが好ましい。   The coating substrate used is not particularly limited. In a system using conventional PTFE, it is necessary to use a base material (for example, a polyimide film) that can withstand high-temperature baking in a subsequent process, which contributes to high cost. Since the hydrophilic polymer used in the present invention does not require high-temperature baking, any resin that can withstand drying and hot pressing can be widely used. Specific examples of the coating substrate include polypropylene films, polyethylene films; polyester films such as PTFE (polytetrafluoroethylene) films and PET (polyethylene terephthalate) films; polyimide films, polysulfone sheets, and the like. Especially, since it is cheap, it is preferable to use a polypropylene film, a polyethylene film, a PET (polyethylene terephthalate) film, etc. as an application | coating base material.

塗布基材の厚みとして特に限定されるものではないが、通常5〜500μm程度である。   Although it does not specifically limit as thickness of an application | coating base material, Usually, it is about 5-500 micrometers.

用いられる塗布基材は、基材の表面に水溶性ポリマーが塗布されてなることが好ましい。親水性ポリマーは、表面エネルギーが高いため、塗布基材に強固に接着しやすい。このため、水溶性ポリマーが塗布された塗布基材を用いることにより、後にガス拡散層基材と接合する際に塗布基材を水洗することにより容易に塗布基材から多孔層を剥離することができる。   The coated substrate used is preferably formed by coating a water-soluble polymer on the surface of the substrate. Since the hydrophilic polymer has a high surface energy, it easily adheres firmly to the coated substrate. For this reason, by using a coated substrate coated with a water-soluble polymer, the porous layer can be easily peeled off from the coated substrate by washing the coated substrate with water when joining to the gas diffusion layer substrate later. it can.

水溶性ポリマーとは、20℃の水100gに溶解させたときに、その溶解量が0.25g以上、好ましくは2.5g以上、より好ましくは25g以上であるポリマーをいう。水溶性ポリマーとしては、具体的には、ポリビニルアルコール(平均重合度は、好適には200〜4000、より好適には、1000〜3000、ケン化度は好適には80モル%以上(上限100モル%)、より好適には90モル%以上(上限100モル%))およびその変性体(エチレン/酢酸ビニル=2/98〜30/70モル比の共重合体の酢酸ビニル単位のうちの1〜80モル%ケン化物、ポリビニルアルコールの1〜50モル%部分アセタール化物等)、デンプンおよびその変性体(酸化デンプン、リン酸エステル化デンプン、カチオン化デンプン等)、セルロース誘導体(カルボキシメチルセルロース、メチルセルロース、ヒドロキシプロピルセルロース、ヒドロキシエチルセルロース、およびこれらの塩等)、ポリビニルピロリドン、ゼラチン、ポリアクリル酸(塩)、ポリエチレングリコール、アクリル系樹脂(アクリル酸−アクリルニトリル共重合体、アクリル酸カリウム−アクリルニトリル共重合体、酢酸ビニル−アクリル酸エステル共重合体、アクリル酸−アクリル酸エステル共重合体等)、スチレンアクリル酸樹脂(スチレン−アクリル酸共重合体、スチレン−メタクリル酸共重合体、スチレン−メタクリル酸−アクリル酸エステル共重合体、スチレン−α−メチルスチレン−アクリル酸共重合体、スチレン−α−メチルスチレン−アクリル酸−アクリル酸エステル共重合体等)、スチレン−スチレンスルホ酸ナトリウム共重合体、スチレン−2−ヒドロキシエチルアクリレート共重合体、スチレン−2−ヒドロキシエチルアクリレート−スチレンスルホン酸カリウム共重合体、スチレン−マレイン酸共重合体、スチレン−無水マレイン酸共重合体、ビニルナフタレン−アクリル酸共重合体、ビニルナフタレン−マレイン酸共重合体、酢酸ビニル系共重合体(酢酸ビニル−マレイン酸エステル共重合体、酢酸ビニル−クロトン酸共重合体、酢酸ビニル−アクリル酸共重合体等)、カゼイン、大豆蛋白、合成蛋白、寒天並びにマンナンガラクタン誘導体等が挙げられる。特に好ましい例としては、ポリビニルアルコール、ポリビニルピロリドン、ゼラチンが挙げられる。これらの水溶性ポリマーは、単独で用いても、2種以上を混合して用いてもよい。上記水溶性ポリマーは市販品を用いてもよく、また洗濯のりなどの水溶性ポリマーを含む製品を用いてもよい。   The water-soluble polymer refers to a polymer having a dissolution amount of 0.25 g or more, preferably 2.5 g or more, more preferably 25 g or more when dissolved in 100 g of water at 20 ° C. Specific examples of the water-soluble polymer include polyvinyl alcohol (average polymerization degree is preferably 200 to 4000, more preferably 1000 to 3000, and saponification degree is preferably 80 mol% or more (up to 100 mol). %), More preferably 90 mol% or more (upper limit of 100 mol%)) and a modified product thereof (ethylene / vinyl acetate = 2/98 to 30/70 mol ratio of copolymer 1 to 1 of vinyl acetate units) 80 mol% saponification product, 1-50 mol% partial acetalization product of polyvinyl alcohol, etc., starch and modified products thereof (oxidized starch, phosphate esterified starch, cationized starch, etc.), cellulose derivatives (carboxymethylcellulose, methylcellulose, hydroxy) Propyl cellulose, hydroxyethyl cellulose, and salts thereof), polyvinyl pyro Don, gelatin, polyacrylic acid (salt), polyethylene glycol, acrylic resin (acrylic acid-acrylonitrile copolymer, potassium acrylate-acrylonitrile copolymer, vinyl acetate-acrylic ester copolymer, acrylic acid- Acrylic ester copolymer, etc.), styrene acrylic resin (styrene-acrylic acid copolymer, styrene-methacrylic acid copolymer, styrene-methacrylic acid-acrylic ester copolymer, styrene-α-methylstyrene-acrylic) Acid copolymer, styrene-α-methylstyrene-acrylic acid-acrylic acid ester copolymer, etc.), styrene-sodium styrenesulfonate copolymer, styrene-2-hydroxyethyl acrylate copolymer, styrene-2-hydroxy Ethyl acrylate-styrene sulfone Potassium copolymer, styrene-maleic acid copolymer, styrene-maleic anhydride copolymer, vinyl naphthalene-acrylic acid copolymer, vinyl naphthalene-maleic acid copolymer, vinyl acetate copolymer (vinyl acetate- Maleic acid ester copolymer, vinyl acetate-crotonic acid copolymer, vinyl acetate-acrylic acid copolymer, etc.), casein, soybean protein, synthetic protein, agar and mannangalactan derivatives. Particularly preferred examples include polyvinyl alcohol, polyvinyl pyrrolidone, and gelatin. These water-soluble polymers may be used alone or in combination of two or more. A commercial item may be used for the said water-soluble polymer, and the product containing water-soluble polymers, such as a laundry paste, may be used.

水溶性ポリマーの塗布厚みは特に限定されるものではないが、乾燥後の厚みで1〜10μmであることが好ましく、2〜5μmであることがより好ましい。   Although the application | coating thickness of a water-soluble polymer is not specifically limited, It is preferable that it is 1-10 micrometers by the thickness after drying, and it is more preferable that it is 2-5 micrometers.

水溶性ポリマーの塗布方法としては、特に限定されず、スプレーコート、スピンコート、バーコート等の従来公知の方法を用いることができる。   The method for applying the water-soluble polymer is not particularly limited, and conventionally known methods such as spray coating, spin coating, and bar coating can be used.

水溶性ポリマーを塗布した後、好適には乾燥する。乾燥条件としては、適宜設定すればよいが、乾燥温度としては10〜50℃であることが好ましく、乾燥時間としては0.1〜1時間であることが好ましい。   After applying the water-soluble polymer, it is preferably dried. The drying conditions may be set as appropriate, but the drying temperature is preferably 10 to 50 ° C., and the drying time is preferably 0.1 to 1 hour.

(好適には水溶性ポリマーが塗布された)塗布基材への混合物の塗布方法としては、特に限定されず、スプレーコート、スピンコート、バーコート等の従来公知の方法を用いることができる。   The method of applying the mixture to the coating substrate (preferably coated with a water-soluble polymer) is not particularly limited, and conventionally known methods such as spray coating, spin coating, and bar coating can be used.

混合物の塗布厚みは特に限定されるものではないが、乾燥後の厚みで10〜150μmであることが好ましく、20〜60μmであることがより好ましい。   Although the application | coating thickness of a mixture is not specifically limited, It is preferable that it is 10-150 micrometers by the thickness after drying, and it is more preferable that it is 20-60 micrometers.

混合物を塗布基材上に塗布した後、好適には乾燥する。乾燥条件としては、混合物中の溶媒が揮発する条件であれば特に制限されないが、例えば、10〜50℃であることが好ましく、乾燥時間としては0.1〜1時間であることが好ましい。   After the mixture is coated on the coated substrate, it is preferably dried. The drying conditions are not particularly limited as long as the solvent in the mixture volatilizes, but for example, 10 to 50 ° C. is preferable, and the drying time is preferably 0.1 to 1 hour.

ここで、混合物を塗布基材上に塗布、乾燥後、さらに熱プレスを行うことが好ましい。熱プレスを行うことによってカーボン粒子同士を結着しやすくなり、多孔層の靱性が高まるため好ましい。   Here, it is preferable to further heat-press after applying and drying the mixture on the coated substrate. Hot pressing is preferable because the carbon particles are easily bonded to each other and the toughness of the porous layer is increased.

熱プレスの条件としては、特に制限されるものではなく、塗布基材の種類、親水性ポリマー種、およびカーボン粒子含有量などを考慮して適宜設定すればよい。例えば、熱プレス温度は、常温から基材変形温度までであることが好ましく、100〜150℃であることがより好ましい。また、熱プレス圧力は、0.2〜2MPaであることが好ましく、0.5〜1MPaであることがより好ましい。熱プレス時間は、0.2〜1分であることが好ましく、0.3〜0.5分であることがより好ましい。   The conditions for the hot press are not particularly limited, and may be set as appropriate in consideration of the type of the coated substrate, the hydrophilic polymer, the carbon particle content, and the like. For example, the hot press temperature is preferably from room temperature to the base material deformation temperature, and more preferably 100 to 150 ° C. Moreover, it is preferable that it is 0.2-2 Mpa, and, as for a hot press pressure, it is more preferable that it is 0.5-1 Mpa. The hot press time is preferably 0.2 to 1 minute, and more preferably 0.3 to 0.5 minute.

また、本発明においては、親水性ポリマーをガス拡散多孔層に用いているため、PTFE溶液を用いる場合に必要な基材塗布・乾燥後の焼成が不要となる。焼成が必要であるとエネルギーコストの面で不利となる。したがって、本発明においては、工程(2)において、焼成工程を含まないことが好ましい。ここで、焼成工程とは、250〜400℃の温度で0.4〜0.6時間処理する工程を指す。すなわち、本発明のガス拡散多孔層の好適な形態は、非焼成ガス拡散多孔層である。   Further, in the present invention, since the hydrophilic polymer is used for the gas diffusion porous layer, the firing after the base material coating and drying necessary when the PTFE solution is used becomes unnecessary. If firing is necessary, it is disadvantageous in terms of energy costs. Therefore, in this invention, it is preferable not to include a baking process in a process (2). Here, a baking process refers to the process processed for 0.4 to 0.6 hours at the temperature of 250-400 degreeC. That is, the preferred form of the gas diffusion porous layer of the present invention is a non-fired gas diffusion porous layer.

(工程(3))
工程(3)は、塗布基材から形成されたガス拡散多孔層を剥離する工程である。
(Process (3))
Step (3) is a step of peeling the gas diffusion porous layer formed from the coated substrate.

剥離方法は特に限定されるものではないが、塗布基材が混合物塗布面に水溶性ポリマーが塗布されてなる形態である場合には、水性溶媒により剥離することが好ましい。すなわち、好適な一実施形態は、基材上に水溶性ポリマーが塗布されてなる塗布基材上に多孔層を形成した後に、水性溶媒により水溶性ポリマーを除去して、塗布基材から形成されたガス拡散多孔層を剥離する工程をさらに含む、ガス拡散多孔層の製造方法である。   The peeling method is not particularly limited, but when the coating substrate is in a form in which a water-soluble polymer is coated on the mixture coated surface, it is preferable to peel with an aqueous solvent. That is, a preferred embodiment is formed from a coated substrate by forming a porous layer on a coated substrate obtained by coating a water-soluble polymer on a substrate, and then removing the water-soluble polymer with an aqueous solvent. The method for producing a gas diffusion porous layer further includes a step of peeling the gas diffusion porous layer.

水溶性ポリマーの除去方法は、水溶性ポリマーが水性溶媒に溶解し、塗布基材からガス拡散多孔層が剥離できる条件であれば特に限定されない。例えば、水性溶媒中に浸漬する、水性溶媒の蒸気に当てて剥離する、加熱状態で剥離するなどの方法が挙げられる。また、水溶性ポリマーの溶出(除去)を促進する目的で、水性溶媒を加温することが好ましい。用いられる水性溶媒の温度は、20〜50℃であることが好ましい。また、浸漬時間は、例えば3〜10分であることが好ましい。   The method for removing the water-soluble polymer is not particularly limited as long as the water-soluble polymer is dissolved in an aqueous solvent and the gas diffusion porous layer can be peeled from the coated substrate. For example, a method of immersing in an aqueous solvent, peeling by being exposed to vapor of an aqueous solvent, peeling in a heated state, and the like can be mentioned. In addition, it is preferable to warm the aqueous solvent for the purpose of promoting the elution (removal) of the water-soluble polymer. The temperature of the aqueous solvent used is preferably 20 to 50 ° C. Moreover, it is preferable that immersion time is 3 to 10 minutes, for example.

用いられる水性溶媒は、水溶性ポリマーのみを溶解し、親水性ポリマーを溶解しない溶媒であれば特に限定されないが、水が好ましく使用される。   The aqueous solvent used is not particularly limited as long as it dissolves only the water-soluble polymer and does not dissolve the hydrophilic polymer, but water is preferably used.

水性溶媒を用いてガス拡散多孔層を塗布基材から剥離した後には、通常、乾燥工程が含まれる。この際の乾燥条件としては、特に限定されるものではないが、乾燥温度としては20〜40℃であることが好ましく、乾燥時間としては、0.1〜0.5時間であることが好ましい。   After the gas diffusion porous layer is peeled from the coated substrate using an aqueous solvent, a drying step is usually included. The drying conditions at this time are not particularly limited, but the drying temperature is preferably 20 to 40 ° C., and the drying time is preferably 0.1 to 0.5 hours.

その他、剥離方法としては、手であるいは機械を用いて物理的に剥がす、水中に浸漬後減圧処理または超音波振動を加えることにより、ガス拡散多孔層と基材の間に気泡を生じさせ、物理的に剥離するなどの方法が挙げられる。   In addition, as a peeling method, it is physically peeled by hand or using a machine, and after being immersed in water, by applying reduced pressure treatment or ultrasonic vibration, bubbles are generated between the gas diffusion porous layer and the substrate, and physical For example, the method of exfoliating automatically.

かようにして得られたガス拡散多孔層は、ガス拡散層基材と接合することにより、ガス拡散層とすることができる。ガス拡散層基材およびガス拡散多孔層の接合方法としては、特に限定されず、プレス接合などが挙げられる。   The gas diffusion porous layer thus obtained can be made into a gas diffusion layer by bonding to the gas diffusion layer substrate. The joining method of the gas diffusion layer base material and the gas diffusion porous layer is not particularly limited, and examples thereof include press joining.

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

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

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

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

触媒成分の形状や大きさは、特に制限されず公知の触媒成分と同様の形状および大きさが採用されうる。例えば、触媒成分の形状は、粒状、鱗片状、層状などのものが使用できるが、粒状であることが好ましい。この際、触媒粒子の平均粒子径は、好ましくは1〜30nm、より好ましくは1〜10nm、さらに好ましくは1〜5nm、特に好ましくは2〜4nmである。触媒粒子の平均粒子径がかような範囲内の値であると、電気化学反応が進行する有効電極面積に関連する触媒利用率と担持の簡便さとのバランスが適切に制御されうる。なお、本発明における「触媒粒子の平均粒子径」は、X線回折における触媒成分の回折ピークの半値幅より求められる結晶子径や、透過型電子顕微鏡(TEM)より調べられる触媒成分の粒子径の平均値として測定されうる。   The shape and size of the catalyst component are not particularly limited, and the same shape and size as known catalyst components can be adopted. For example, the catalyst component may be granular, scale-like, or layered, but is preferably granular. At this time, the average particle diameter of the catalyst particles is preferably 1 to 30 nm, more preferably 1 to 10 nm, still more preferably 1 to 5 nm, and particularly preferably 2 to 4 nm. When the average particle diameter of the catalyst particles is within such a range, the balance between the catalyst utilization rate related to the effective electrode area where the electrochemical reaction proceeds and the ease of loading can be appropriately controlled. The “average particle diameter of the catalyst particles” in the present invention is the crystallite diameter determined from the half-value width of the diffraction peak of the catalyst component in X-ray diffraction, or the particle diameter of the catalyst component determined by a transmission electron microscope (TEM). It can be measured as an average value of.

上述した触媒成分は好適には導電性担体に担持された電極触媒として触媒層に含まれる。   The catalyst component described above is preferably contained in the catalyst layer as an electrode catalyst supported on a conductive carrier.

導電性担体は、上述した触媒成分を担持するための担体、および触媒成分と他の部材との間での電子の授受に関与する電子伝導パスとして機能する。導電性担体としては、触媒粒子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、「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重量%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 functions as a carrier for supporting the above-described catalyst component and an electron conduction path involved in the transfer of electrons between the catalyst component and another member. Any conductive carrier may be used as long as it has a specific surface area for supporting the catalyst particles in a desired dispersed state and has sufficient electronic conductivity as a current collector. The main component is carbon. Is preferred. Specific examples include carbon particles made of carbon black, activated carbon, coke, natural graphite, artificial graphite and the like. “The main component is carbon” means that the main component contains carbon atoms, and is a concept that includes both carbon atoms and substantially carbon atoms. In some cases, elements other than carbon atoms may be included in order to improve the characteristics of the fuel cell. In addition, being substantially composed of carbon atoms means that mixing of impurities of about 2 to 3% by weight or less is allowed.

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が、好ましくは20〜1600m/g、より好ましくは80〜1200m/gとするのがよい。比表面積が上記したような範囲であれば、導電性担体への触媒成分および高分子電解質が十分分散して十分な発電性能が得られ、また、触媒成分および高分子電解質を十分有効利用できる。The BET specific surface area of the conductive carrier may be a specific surface area sufficient to carry the catalyst component in a highly dispersed state, but is preferably 20 to 1600 m 2 / g, more preferably 80 to 1200 m 2 / g. Good. When the specific surface area is in the above range, the catalyst component and the polymer electrolyte are sufficiently dispersed in the conductive support to obtain sufficient power generation performance, and the catalyst component and the polymer electrolyte can be used sufficiently effectively.

また、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、電極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5〜200nm、好ましくは10〜100nm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 electrode catalyst layer within an appropriate range, the average particle size is 5 to 200 nm, The thickness is preferably about 10 to 100 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重量%、より好ましくは30〜70重量%とするのがよい。触媒成分の担持量がかような範囲内の値であると、触媒担体上での触媒成分の分散度と触媒性能とのバランスが適切に制御されうる。なお、触媒成分の担持量は、誘導結合プラズマ発光分光法(ICP)によって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 weight, more preferably 30 to 70% by weight, based on the total amount of the electrode catalyst. . When the supported amount of the catalyst component is within such a range, the balance between the degree of dispersion of the catalyst component on the catalyst support and the catalyst performance can be appropriately controlled. The amount of the catalyst component supported can be examined by inductively coupled plasma emission spectroscopy (ICP).

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

当該高分子電解質は特に限定されず従来公知の知見が適宜参照されうる。高分子電解質は、構成材料であるイオン交換樹脂の種類によって、フッ素系高分子電解質と炭化水素系高分子電解質とに大別される。なお、フッ素系高分子電解質と炭化水素系高分子電解質の具体的な説明は下記固体高分子電解質膜における説明と同様であるため、ここでは説明を省略する。これらのうち、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。特に、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 is not particularly limited, and conventionally known knowledge can be referred to as appropriate. Polymer electrolytes are roughly classified into fluorine-based polymer electrolytes and hydrocarbon-based polymer electrolytes depending on the type of ion exchange resin that is a constituent material. In addition, since the specific description of the fluorine-based polymer electrolyte and the hydrocarbon-based polymer electrolyte is the same as the description of the solid polymer electrolyte membrane below, the description is omitted here. Among these, the polymer electrolyte preferably contains a fluorine atom because it is excellent in heat resistance, chemical stability, and the like. Particularly preferred are fluorine-based 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.

触媒層中の高分子電解質の含有量は特に限定されるものではないが、電極触媒中のカーボンに対する高分子電解質の重量比が0.3〜1.2であることが好ましい。   The content of the polymer electrolyte in the catalyst layer is not particularly limited, but the weight ratio of the polymer electrolyte to carbon in the electrode catalyst is preferably 0.3 to 1.2.

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.

触媒層の形成方法は特に限定されないが、好適には、上記したような電極触媒、高分子電解質および溶剤からなる触媒インクを、高分子電解質膜表面に塗布することによって、触媒層を形成する方法が挙げられる。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、エタノール、1-プロパノール、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)および酸素の還元反応(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重量%、より好ましくは9〜20重量%となるような量で存在することが好ましい。   The method for forming the catalyst layer is not particularly limited, but preferably a method for forming the catalyst layer by applying a catalyst ink comprising the electrode catalyst, polymer electrolyte and solvent as described above to the surface of the polymer electrolyte membrane. Is mentioned. 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, lower alcohols such as water, cyclohexanol, ethanol, 1-propanol, 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 hydrogen oxidation reaction (anode side) and the oxygen reduction reaction (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 weight, more preferably 9 to 20% by weight.

触媒インクは、電極触媒、電解質および溶剤、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:例えば、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 preparation method of the catalyst ink is not particularly limited as long as the electrode catalyst, the electrolyte and the solvent, and if necessary, the water-repellent polymer and / or the 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 in which the electrolyte is previously prepared in the above-mentioned other solvent (for example, Nafion solution manufactured by DuPont: for example, Nafion dispersed / suspended at a concentration of 5 wt% in 1-propanol) You may use for the said method as it is.

上記したような触媒インクを、高分子電解質膜上にまたはガス拡散層上に、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、乾燥後の厚みが所望の厚みになるように、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。   Each catalyst layer is formed by applying the catalyst ink as described above on the polymer electrolyte membrane or the gas diffusion 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 becomes a desired thickness, and is 25 to 150 ° C., more preferably 60 to 120 ° C. in a vacuum dryer or under reduced pressure. And drying 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.

また、単位触媒塗布面積当たりの触媒含有量(mg/cm)は、特に制限されないが、十分な触媒の担体上での分散度、発電性能などを考慮すると、0.01〜1.0mg/cmである。ただし、触媒が白金または白金含有合金を含む場合、単位触媒塗布面積当たりの白金含有量が0.5mg/cm以下であることが好ましい。白金(Pt)や白金合金に代表される高価な貴金属触媒の使用は燃料電池の高価格要因となっている。したがって、高価な白金の使用量(白金含有量)を上記範囲まで低減し、コストを削減することが好ましい。下限値は発電性能が得られる限り特に制限されず、例えば、0.01mg/cm以上である。なお、本明細書において、「単位触媒塗布面積当たりの触媒(白金)含有量(mg/cm)」の測定(確認)には、誘導結合プラズマ発光分光法(ICP)を用いる。所望の「単位触媒塗布面積当たりの触媒(白金)含有量(mg/cm)」にせしめる方法も当業者であれば容易に行うことができ、インクの組成(触媒濃度)と塗布量を制御することで量を調整することができる。Further, the catalyst content per unit catalyst coating area (mg / cm 2 ) is not particularly limited, but in view of sufficient dispersion of the catalyst on the carrier, power generation performance, etc., 0.01 to 1.0 mg / cm 2 . However, when the catalyst contains platinum or a platinum-containing alloy, the platinum content per unit catalyst coating area is preferably 0.5 mg / cm 2 or less. The use of expensive noble metal catalysts typified by platinum (Pt) and platinum alloys has become a high cost factor for fuel cells. Therefore, it is preferable to reduce the amount of expensive platinum used (platinum content) to the above range and reduce the cost. The lower limit is not particularly limited as long as power generation performance is obtained, and is, for example, 0.01 mg / cm 2 or more. In this specification, inductively coupled plasma emission spectroscopy (ICP) is used for measurement (confirmation) of “catalyst (platinum) content per unit catalyst application area (mg / cm 2 )”. A person skilled in the art can easily carry out a method of making the desired “catalyst (platinum) content per unit catalyst coating area (mg / cm 2 )”, and control the ink composition (catalyst concentration) and coating amount. You can adjust the amount.

触媒層の厚みは触媒層(乾燥後)の厚みは、好ましくは0.5〜30μm、より好ましくは1〜20μm、さらに好ましくは1〜10μmである。なお、上記厚みは、カソード触媒層およびアノード触媒層双方に適用される。カソード触媒層およびアノード触媒層の厚みは、同じであってもあるいは異なってもよい。   The thickness of the catalyst layer is preferably 0.5 to 30 μm, more preferably 1 to 20 μm, and still more preferably 1 to 10 μm. In addition, the said thickness is applied to both a cathode catalyst layer and an anode catalyst layer. The thickness of the cathode catalyst layer and the anode catalyst layer may be the same or different.

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

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

炭化水素系電解質として、具体的には、スルホン化ポリエーテルスルホン(S−PES)、スルホン化ポリアリールエーテルケトン、スルホン化ポリベンズイミダゾールアルキル、ホスホン化ポリベンズイミダゾールアルキル、スルホン化ポリスチレン、スルホン化ポリエーテルエーテルケトン(S−PEEK)、スルホン化ポリフェニレン(S−PPP)などが挙げられる。これらの炭化水素系高分子電解質膜は、原料が安価で製造工程が簡便であり、かつ材料の選択性が高いといった製造上の利点がある。   Specific examples of the hydrocarbon electrolyte include sulfonated polyethersulfone (S-PES), sulfonated polyaryletherketone, sulfonated polybenzimidazole alkyl, phosphonated polybenzimidazole alkyl, sulfonated polystyrene, and sulfonated poly. Examples include ether ether ketone (S-PEEK) and sulfonated polyphenylene (S-PPP). These hydrocarbon-based polymer electrolyte membranes have manufacturing advantages such as low cost raw materials, simple manufacturing processes, and high material selectivity.

なお、上述したイオン交換樹脂は、1種のみが単独で用いられてもよいし、2種以上が併用されてもよい。また、上述した材料のみに制限されず、その他の材料が用いられてもよい。   In addition, as for the ion exchange resin mentioned above, only 1 type may be used independently and 2 or more types may be used together. Moreover, it is not restricted only to the material mentioned above, Other materials may be used.

固体高分子電解質膜の厚さは、得られる燃料電池の特性を考慮して適宜決定すればよく、特に制限されない。電解質膜の厚さは、通常は5〜100μm程度である。電解質膜の厚さがかような範囲内の値であると、製膜時の強度や使用時の耐久性および使用時の出力特性のバランスが適切に制御されうる。   The thickness of the solid polymer electrolyte membrane may be appropriately determined in consideration of the characteristics of the obtained fuel cell, and is not particularly limited. The thickness of the electrolyte membrane is usually about 5 to 100 μm. When the thickness of the electrolyte membrane is within such a range, the balance of strength during film formation, durability during use, and output characteristics during use can be appropriately controlled.

[膜電極接合体の製造方法]
膜電極接合体の作製方法としては、特に制限されず、従来公知の方法を使用できる。例えば、固体高分子電解質膜に触媒層をホットプレスで転写または塗布し、これを乾燥したものに、ガス拡散層を接合する方法や、ガス拡散層のガス拡散多孔層面に触媒層を予め塗布して乾燥することによりガス拡散電極(GDE)を2枚作製し、固体高分子電解質膜の両面にこのガス拡散電極をホットプレスで接合する方法を使用することができる。ホットプレス等の塗布、接合条件は、固体高分子電解質膜や触媒層内の高分子電解質の種類(パ−フルオロスルホン酸系や炭化水素系)によって適宜調整すればよい。
[Production method of membrane electrode assembly]
A method for producing the membrane electrode assembly is not particularly limited, and a conventionally known method can be used. For example, a catalyst layer is transferred or applied to a solid polymer electrolyte membrane with a hot press and dried, and a gas diffusion layer is bonded to the dried one, or a catalyst layer is applied in advance to the gas diffusion porous layer surface of the gas diffusion layer. Then, two gas diffusion electrodes (GDE) are prepared by drying and the gas diffusion electrodes are bonded to both surfaces of the solid polymer electrolyte membrane by hot pressing. Application and joining conditions such as hot pressing may be appropriately adjusted according to the type of polymer electrolyte in the solid polymer electrolyte membrane or catalyst layer (perfluorosulfonic acid type or hydrocarbon type).

[セパレータ]
セパレータは、固体高分子形燃料電池などの燃料電池の単セルを複数個直列に接続して燃料電池スタックを構成する際に、各セルを電気的に直列に接続する機能を有する。また、セパレータは、燃料ガス、酸化剤ガス、および冷却剤を互に分離する隔壁としての機能も有する。これらの流路を確保するため、上述したように、セパレータのそれぞれにはガス流路および冷却流路が設けられていることが好ましい。セパレータを構成する材料としては、緻密カーボングラファイト、炭素板などのカーボンや、ステンレスなどの金属など、従来公知の材料が適宜制限なく採用できる。セパレータの厚さやサイズ、設けられる各流路の形状やサイズなどは特に限定されず、得られる燃料電池の所望の出力特性などを考慮して適宜決定できる。
[Separator]
The separator has a function of electrically connecting each cell in series when a plurality of single cells of a fuel cell such as a polymer electrolyte fuel cell are connected in series to form a fuel cell stack. The separator also functions as a partition that separates the fuel gas, the oxidant gas, and the coolant from each other. In order to secure these flow paths, as described above, each of the separators is preferably provided with a gas flow path and a cooling flow path. As a material constituting the separator, conventionally known materials such as dense carbon graphite, carbon such as a carbon plate, and metal such as stainless steel can be appropriately employed without limitation. The thickness and size of the separator and the shape and size of each flow path provided are not particularly limited, and can be appropriately determined in consideration of the desired output characteristics of the obtained fuel cell.

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型燃料電池(PEFC)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、高分子電解質型燃料電池が好ましく挙げられる。また、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 is not particularly limited. In the above description, the polymer electrolyte fuel cell (PEFC) has been described as an example. However, in addition to the above, an alkaline fuel cell and a direct methanol fuel cell are used. And a micro fuel cell. Among them, a polymer electrolyte fuel cell is preferable because it is small in size, and can achieve high density and high output. The fuel cell is useful as a power source for stationary vehicles as well as a power source for a moving body such as a vehicle in which a mounting space is limited. Particularly, the fuel cell is particularly useful for an automobile application in which system start / stop and output fluctuation frequently occur. It can be used suitably.

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

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

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

上述したPEFCや膜電極接合体は、ドライアウト耐性とフラッディング耐性とを両立できる部材を用いている。したがって、当該PEFCや膜電極接合体は湿度の変動による影響を受けにくい優れた発電性能を発揮する。   The PEFC and membrane electrode assembly described above use a member that can achieve both dryout resistance and flooding resistance. Therefore, the PEFC and the membrane electrode assembly exhibit excellent power generation performance that is not easily affected by fluctuations in humidity.

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。また、特記しない限り、各操作は、室温(25℃)で行われる。   The effects of the present invention will be described using the following examples and comparative examples. Unless otherwise specified, each operation is performed at room temperature (25 ° C.).

(実施例1)
1−プロパノール100重量部に対し、ポリアミド樹脂(Henkel社製、マクロメルト6212)4重量部を加え、80℃に加熱しながら攪拌し溶液を得た。
Example 1
4 parts by weight of a polyamide resin (manufactured by Henkel, Macromelt 6212) was added to 100 parts by weight of 1-propanol, and the mixture was stirred while heating at 80 ° C. to obtain a solution.

これに対し、アセチレンブラック(電気化学社製、デンカブラックAB6、平均一次粒径40nm、比表面積37m/g)を加え(ポリアミド樹脂:アセチレンブラック=30.8:69.2(重量比))、ホモジナイザー(IKA社製、型式:ULTRA TURRAX T25−basic)にて13500rpm/minにて15min粉砕処理を行った。得られたインク組成物を150μmのメッシュにて濾過をし、粗大粒子の除去を行いインクを得た(固形分濃度:9.9重量%)。On the other hand, acetylene black (manufactured by Denki Kagaku, Denka Black AB6, average primary particle size 40 nm, specific surface area 37 m 2 / g) was added (polyamide resin: acetylene black = 30.8: 69.2 (weight ratio)). Then, pulverization was performed for 15 min at 13500 rpm / min with a homogenizer (manufactured by IKA, model: ULTRA TURRAX T25-basic). The obtained ink composition was filtered through a 150 μm mesh to remove coarse particles to obtain an ink (solid content concentration: 9.9% by weight).

続いて、ポリプロピレンシート(厚さ100μm)上にポリビニルアルコールを含有した洗濯のり(ウエハラ化学社製;クラノール(登録商標))をwet厚み30μmでアプリケーターによって塗布を行い、自然乾燥(室温(25℃)、0.5時間)し塗布基材を作製した(dry厚み3μm)。   Subsequently, a laundry paste (Uehara Chemical Co., Ltd .; Kuranol (registered trademark)) containing polyvinyl alcohol is applied on a polypropylene sheet (thickness: 100 μm) with a wet thickness of 30 μm using an applicator, followed by natural drying (room temperature (25 ° C.)). 0.5 hours) to prepare a coated substrate (dry thickness: 3 μm).

先に作製したインクをアプリケーターにてポリビニルアルコールを塗布したポリプロピレンシートのポリビニルアルコール塗布面上に、wet厚み250μmで塗布を行い、室温(25℃)にて0.5時間、風乾を行った(dry厚み40μm)。   The ink prepared earlier was applied on a polyvinyl alcohol-coated surface of a polypropylene sheet coated with polyvinyl alcohol with an applicator at a wet thickness of 250 μm, and air-dried at room temperature (25 ° C.) for 0.5 hour (dry) Thickness 40 μm).

乾燥させたものをホットプレス(熱プレス圧力0.8MPa、120℃、0.4分)し熱硬化させた。プレスしたシートを水中(30℃〜40℃)に10分浸漬し、ポリビニルアルコールを溶解させ塗布基材より塗膜を剥離させた。この塗膜に付着した水分を拭き取り、室温(25℃)で20分間、風乾を行った。   The dried product was hot-pressed (hot press pressure 0.8 MPa, 120 ° C., 0.4 minutes) and thermally cured. The pressed sheet was immersed in water (30 ° C. to 40 ° C.) for 10 minutes to dissolve polyvinyl alcohol and peel the coating film from the coated substrate. The water adhering to the coating film was wiped off and air-dried at room temperature (25 ° C.) for 20 minutes.

(実施例2)
インク内のポリアミド樹脂およびアセチレンブラックの割合をポリアミド樹脂:アセチレンブラック=50:50(重量比)としたこと以外は、実施例1と同様の手順で試料を作製した。
(Example 2)
A sample was prepared in the same procedure as in Example 1 except that the ratio of the polyamide resin and acetylene black in the ink was polyamide resin: acetylene black = 50: 50 (weight ratio).

(実施例3)
インク内のポリアミド樹脂、鱗片状黒鉛(平均粒径15μm、比表面積6m/g)、およびアセチレンブラックの割合をポリアミド樹脂:鱗片状黒鉛:アセチレンブラック=30.8:51.9:17.3(重量比)としたこと以外は、実施例1と同様の手順で試料を作製した。
(Example 3)
The ratio of polyamide resin, scaly graphite (average particle size 15 μm, specific surface area 6 m 2 / g), and acetylene black in the ink was determined as polyamide resin: flaky graphite: acetylene black = 30.8: 51.9: 17.3. A sample was prepared in the same procedure as in Example 1 except that (weight ratio) was used.

(比較例1)
1−プロパノール100重量部に対し、ポリアミド樹脂(Henkel社製、マクロメルト6212)2重量部およびPTFE(ダイキン社製D−210C(商品名))2重量部を加え、80℃に加熱しながら攪拌した。しかしながら、PTFEが分散せず、ガス拡散多孔層を作製することはできなかった。
(Comparative Example 1)
To 100 parts by weight of 1-propanol, 2 parts by weight of polyamide resin (manufactured by Henkel, Macromelt 6212) and 2 parts by weight of PTFE (D-210C (trade name) made by Daikin) are added and stirred while heating to 80 ° C. did. However, PTFE was not dispersed and a gas diffusion porous layer could not be produced.

(ガス拡散層の作製)
ガス拡散層基材として、市販のカーボンペーパー(型番:25BA、SGL社製、厚さ190μm、5重量%PTFEで疎水化)を用い、該基材上に実施例1〜3で得られたガス拡散多孔層をプレス接合し(プレス圧*2Mpa)、ガス拡散層の試験片を作製した。以下、実施例1〜3で得られたガス拡散多孔層を有するガス拡散層を試料1〜3とする。
(Production of gas diffusion layer)
As the gas diffusion layer substrate, commercially available carbon paper (model number: 25BA, manufactured by SGL, thickness 190 μm, hydrophobized with 5 wt% PTFE) was used, and the gas obtained in Examples 1 to 3 on the substrate. The diffusion porous layer was press-bonded (pressing pressure * 2 Mpa) to prepare a gas diffusion layer test piece. Hereinafter, the gas diffusion layers having the gas diffusion porous layers obtained in Examples 1 to 3 are referred to as Samples 1 to 3.

参照比較例として、同じカーボンペーパーにMPLインクが塗布された、市販のガス拡散層用部材(25BCH,SGL社製、MPL層:5重量%PTFE含有)を用いた。   As a reference comparative example, a commercially available gas diffusion layer member (25BCH, manufactured by SGL, MPL layer: containing 5 wt% PTFE) in which MPL ink was applied to the same carbon paper was used.

(評価方法)
1.厚さ方向ガス透過性の測定
試料1〜3および参照比較例を以下に示す方法で測定した。
(Evaluation method)
1. Measurement of gas permeability in thickness direction Samples 1 to 3 and a reference comparative example were measured by the following method.

ガーレー透気度JIS P8117:2009に規定のガーレー透気度測定を使用し、外径28.6mmの円孔を有する締め付け板に、ガス拡散多孔層面が上面に来るように試料を固定し100cc(0.1dm)の空気が透過する時間(秒)を測定し、ガーレー透気度を測定した。この値を用い、厚さで標準化されたPermeability(単位:m)を算出した。なお、この値が高いほど、ガス拡散性は良好である。Gurley Air Permeability Using Gurley Air Permeability Measurement stipulated in JIS P8117: 2009, a sample is fixed to a fastening plate having a circular hole with an outer diameter of 28.6 mm so that the gas diffusion porous layer surface is on the upper surface and 100 cc ( The time (second) through which 0.1 dm 3 ) air permeated was measured, and the Gurley air permeability was measured. Using this value, Permeability (unit: m 2 ) normalized by thickness was calculated. The higher this value, the better the gas diffusibility.

結果を図3に示す。   The results are shown in FIG.

図3の結果より、実施例1〜3のガス拡散多孔層を有するガス拡散層は、参照比較例のガス拡散層と同程度のガス拡散性であることがわかった。   From the results of FIG. 3, it was found that the gas diffusion layers having the gas diffusion porous layers of Examples 1 to 3 have the same gas diffusibility as the gas diffusion layer of the reference comparative example.

2.厚さ方向の電気抵抗測定
試料1〜3および参照比較例の厚さ方向の電気抵抗値を以下に示す方法で測定した。
2. Measurement of electric resistance in thickness direction The electric resistance values in the thickness direction of Samples 1 to 3 and the reference comparative example were measured by the following method.

測定に当たっては、面積0.95cmの試験片の両面を金箔で挟み、貫通電気抵抗測定装置(TER−2000SS:アルバック理工社製)にセットし、荷重をかけた状態で通電して測定した。電流値は1Aで、0.5MPa〜5MPaまでを1サイクルとし、2サイクル目の1MPaにおける値を比較した。In the measurement, both sides of a test piece having an area of 0.95 cm 2 were sandwiched between gold foils, set in a penetration electric resistance measuring device (TER-2000SS: manufactured by ULVAC-RIKO), and measured by energizing under a load. The current value was 1 A, and 0.5 MPa to 5 MPa was taken as one cycle, and the values at 1 MPa in the second cycle were compared.

結果を表1に示す。   The results are shown in Table 1.

表1の結果より、実施例1〜3のガス拡散多孔層を有するガス拡散層は、参照比較例のガス拡散層と同程度の電気抵抗値であることがわかった。   From the results of Table 1, it was found that the gas diffusion layers having the gas diffusion porous layers of Examples 1 to 3 have the same electrical resistance value as that of the gas diffusion layer of the reference comparative example.

3.ガス拡散多孔層表面の接触角測定
実施例1〜3および参照比較例のガス拡散多孔層表面の接触角を以下のようにして測定した。
3. Measurement of contact angle on gas diffusion porous layer surface The contact angle on the gas diffusion porous layer surface of Examples 1 to 3 and the reference comparative example was measured as follows.

測定に当たっては、ガス拡散多孔層を両面テープでガラス板に固定し、接触角測定装置(Auto Dispenser AD−31、DropMaster700、協和界面化学社製)で、純水を3μl滴下し、楕円フィッティング法を用い純水の滴下から20秒後における接触角を測定した。   In the measurement, the gas diffusion porous layer was fixed to the glass plate with a double-sided tape, and 3 μl of pure water was dropped with a contact angle measuring device (Auto Dispenser AD-31, DropMaster 700, manufactured by Kyowa Interface Chemical Co., Ltd.), and the elliptical fitting method was used. The contact angle 20 seconds after the pure water was dropped was measured.

結果を表2に示す。   The results are shown in Table 2.

また、ポリマー100%から構成される層をガラス板に平滑な被膜として形成し、同様に表面接触角を測定した。実施例1〜3で用いたポリアミド樹脂の表面接触角は70.4°、参照比較例で用いられるPTFEの表面接触角は116°であった。   Further, a layer composed of 100% polymer was formed as a smooth film on a glass plate, and the surface contact angle was measured in the same manner. The surface contact angle of the polyamide resin used in Examples 1 to 3 was 70.4 °, and the surface contact angle of PTFE used in the reference comparative example was 116 °.

4.発電試験
(小型発電セルの作製)
電極触媒としての白金担持カーボンと電解質樹脂バインダとしての20wt%Nafion(登録商標)を含有した溶液(DuPont社製、DE2020)とを、白金/電解質樹脂バインダの固形分重量比が1.1であり、電極触媒/電解質樹脂バインダの固形分重量比が0.55となるように混合して、触媒インクを調製した。ここで、白金担持カーボンとしては、田中貴金属工業株式会社製、TEC10E50E(白金担持量=50重量%)を使用した。
4). Power generation test (production of small power generation cells)
A solution containing platinum-supported carbon as an electrode catalyst and 20 wt% Nafion (registered trademark) as an electrolyte resin binder (DE2020, manufactured by DuPont) has a solid weight ratio of platinum / electrolyte resin binder of 1.1. The catalyst ink was prepared by mixing the electrode catalyst / electrolyte resin binder so that the solid weight ratio was 0.55. Here, as platinum carrying carbon, Tanaka Kikinzoku Kogyo Co., Ltd. make, TEC10E50E (platinum carrying amount = 50 weight%) was used.

この触媒インクを電解質膜の両面に塗布、乾燥してカソード触媒層(乾燥膜厚=10μm)及びアノード触媒層(乾燥膜厚=5μm)を形成し、アクティブエリア5cm×2cmとなるCCM(Catalyst Coated Membrane;電解質膜−触媒層接合体)を作製した。なお、電解質膜としては、電解質膜(Nafion(登録商標)NR211、DuPont社製、膜厚=25μm)を使用した。また、カソード触媒層での白金量が0.35mg/cmとなるように、アノード触媒層での白金量が0.05mg/cmとなるように、調整した。The catalyst ink is applied to both surfaces of the electrolyte membrane and dried to form a cathode catalyst layer (dry film thickness = 10 μm) and an anode catalyst layer (dry film thickness = 5 μm), and a CCM (Catalyst Coated) having an active area of 5 cm × 2 cm. Membrane; electrolyte membrane-catalyst layer assembly) was prepared. As the electrolyte membrane, an electrolyte membrane (Nafion (registered trademark) NR211, manufactured by DuPont, film thickness = 25 μm) was used. Moreover, it adjusted so that the platinum amount in an anode catalyst layer might be 0.05 mg / cm < 2 > so that the platinum amount in a cathode catalyst layer might be 0.35 mg / cm < 2 >.

実施例1で得られたガス拡散多孔層を市販のカーボンペーパー基材(型番:25BA,SGL社製)にプレス接合をし(プレス圧*2Mpa)、サイズを5.2cm×6.3cmに切り抜いて、ガス拡散層を作成した。   The gas diffusion porous layer obtained in Example 1 was press-bonded to a commercially available carbon paper base material (model number: 25BA, manufactured by SGL) (pressing pressure * 2 Mpa), and the size was cut out to 5.2 cm × 6.3 cm. Thus, a gas diffusion layer was created.

このようにして作製されたCCMのカソード側の電極面に対し、ガス拡散層多孔面が接し、その外側にカーボンペーパー(25BA、SGL社製)が配置されるように、部材を配置し、アノード側にも同様にMPL層塗布済みのカーボンペーパー(25BCH、SGL社製)を配置し、セルを組み立てて試験用セルを得た(図4)。該サンプルを試験用セル1とする。   The member is arranged so that the porous surface of the gas diffusion layer is in contact with the cathode surface of the cathode of the CCM produced in this way, and carbon paper (25BA, manufactured by SGL) is arranged on the outside thereof. Similarly, carbon paper (25BCH, manufactured by SGL) coated with the MPL layer was also arranged on the side, and the cell was assembled to obtain a test cell (FIG. 4). This sample is designated as test cell 1.

また、比較例として、実施例で得られたガス拡散多孔層を有するガス拡散層の代わりに、MPL層塗布済みのカーボンペーパー(25BCH、SGL社製)をカソード側に配置したこと以外は試験用セル1と同様にして、比較試験用セル1を組み立てた。   Moreover, as a comparative example, instead of the gas diffusion layer having the gas diffusion porous layer obtained in the example, carbon paper (25BCH, manufactured by SGL) coated with the MPL layer was disposed on the cathode side for testing. A comparative test cell 1 was assembled in the same manner as the cell 1.

(試験条件)
上記手順により得られた発電セルを、用いて、H/Air、80℃、セルガス圧をゲージ圧200KPaとし、アノードおよびカソードの相対湿度を100%としたときの発電評価結果(電流−電圧曲線)を図5に示す。
(Test conditions)
Using the power generation cell obtained by the above procedure, H 2 / Air, 80 ° C., the cell gas pressure is set to 200 KPa, and the relative humidity of the anode and cathode is set to 100% (current-voltage curve) ) Is shown in FIG.

図5の結果より、本発明のガス拡散多孔層を用いたセルは、高湿条件下であっても発電性能に優れるものであった。   From the result of FIG. 5, the cell using the gas diffusion porous layer of the present invention was excellent in power generation performance even under high humidity conditions.

なお、本発明の技術的範囲は、上記実施例に限定されるものではない。   The technical scope of the present invention is not limited to the above-described embodiments.

本出願は、2014年3月24日に出願された日本特許出願番号2014−60810号に基づいており、その開示内容は、参照され、全体として、組み入れられている。   This application is based on Japanese Patent Application No. 2014-60810 filed on March 24, 2014, the disclosure of which is referred to and incorporated in its entirety.

Claims (9)

ガス拡散層基材と、
カーボン粒子及び、表面接触角が90°以下である親水性ポリマーとして可溶性ポリアミド樹脂を有し、かつ、表面接触角が90°以下のガス拡散多孔層と、を有するガス拡散層。
A gas diffusion layer substrate;
A gas diffusion layer comprising carbon particles and a soluble polyamide resin as a hydrophilic polymer having a surface contact angle of 90 ° or less and a gas diffusion porous layer having a surface contact angle of 90 ° or less.
前記ガス拡散多孔層が、前記ガス拡散層基材上に隣接して配置される、請求項1に記載のガス拡散層。   The gas diffusion layer according to claim 1, wherein the gas diffusion porous layer is disposed adjacent to the gas diffusion layer base material. 親水性ポリマーとして可溶性ポリアミド樹脂、カーボン粒子および溶媒を混合して混合物を得る工程(1)と、
該混合物を塗布基材上に塗布し、その後乾燥して前記塗布基材上に多孔層を形成する工程(2)と、を含む請求項1または2に記載のガス拡散層の製造方法。
A step (1) of obtaining a mixture by mixing a soluble polyamide resin, carbon particles and a solvent as a hydrophilic polymer;
The method for producing a gas diffusion layer according to claim 1, further comprising a step (2) of applying the mixture onto a coated substrate and then drying to form a porous layer on the coated substrate.
前記工程(2)において、混合物を塗布基材上に塗布、乾燥後、さらに熱プレスを行う、請求項3に記載の製造方法。   The manufacturing method according to claim 3, wherein in the step (2), the mixture is applied on a coating substrate, dried, and then further hot-pressed. 前記塗布基材の表面に水溶性ポリマーが塗布されてなる、請求項3または4に記載の製造方法。   The manufacturing method of Claim 3 or 4 with which a water-soluble polymer is apply | coated to the surface of the said application | coating base material. 請求項1または2に記載のガス拡散層を有する膜電極接合体。   The membrane electrode assembly which has a gas diffusion layer of Claim 1 or 2. カーボン粒子及び、表面接触角が90°以下である親水性ポリマーを有し、かつ、表面接触角が90°以下のガス拡散多孔層の製造方法であって、
親水性ポリマー、カーボン粒子および溶媒を混合して混合物を得る工程(1)と、
該混合物を、表面に水溶性ポリマーが塗布されてなる塗布基材上に塗布し、その後乾燥して前記基材上に多孔層を形成する工程(2)と、を含む、ガス拡散多孔層の製造方法。
A method for producing a gas diffusion porous layer having carbon particles and a hydrophilic polymer having a surface contact angle of 90 ° or less and having a surface contact angle of 90 ° or less,
A step (1) of mixing a hydrophilic polymer, carbon particles and a solvent to obtain a mixture;
Applying the mixture onto a coated substrate having a surface coated with a water-soluble polymer, and then drying to form a porous layer on the substrate (2). Production method.
前記工程(2)において、混合物を塗布基材上に塗布、乾燥後、さらに熱プレスを行う、請求項7に記載の製造方法。   The manufacturing method according to claim 7, wherein, in the step (2), the mixture is applied onto a coated substrate, dried, and then further hot-pressed. ガス拡散層基材と、
カーボン粒子及び、表面接触角が50°以上90°以下であり、かつ、水溶性ポリマーではない(ここで、水溶性ポリマーとは20℃の水100gに溶解させたときにその溶解量が0.25g以上であるポリマーを指す)親水性ポリマーを有し、かつ、表面接触角が90°以下のガス拡散多孔層と、を有するガス拡散層。
A gas diffusion layer substrate;
The carbon particles and the surface contact angle are not less than 50 ° and not more than 90 °, and are not water-soluble polymers (here, the water-soluble polymer is dissolved in 100 g of water at 20 ° C. so that its dissolution amount is 0.00). A gas diffusion layer having a hydrophilic polymer and a gas diffusion porous layer having a surface contact angle of 90 ° or less.
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