JP7272318B2 - Laminates for fuel cells - Google Patents

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Description

本発明は、燃料電池用の積層体に関する。 The present invention relates to laminates for fuel cells.

水素等のアノードガスと、酸素等のカソードガスとを、化学反応させることによって発電を行う、燃料電池が知られている。 Fuel cells are known that generate electricity by chemically reacting an anode gas such as hydrogen and a cathode gas such as oxygen.

燃料電池は、電気的に接続された2つの電極に、それぞれ、水素等のアノードガス(燃料ガス)と酸素等のカソードガス(酸化剤ガス)を供給し、電気化学的に燃料の酸化を起こさせることで、化学エネルギーを電気エネルギーに直接変換する。 In a fuel cell, an anode gas (fuel gas) such as hydrogen and a cathode gas (oxidant gas) such as oxygen are supplied to two electrically connected electrodes, respectively, to electrochemically oxidize the fuel. directly converts chemical energy into electrical energy.

アノードガスとして水素が供給されたアノード(燃料極)では、下記式(a)の反応が進行する。
→ 2H + 2e ・・・(a)
At the anode (fuel electrode) to which hydrogen is supplied as the anode gas, the reaction of the following formula (a) proceeds.
H 2 → 2H + + 2e - (a)

上記式(1)で生じる電子(e)は、外部回路を経由し、外部の負荷で仕事をした後に、カソード(酸化剤極)に到達する。他方で、上記式(a)で生じたプロトン(H)は、水と水和した状態で、電気浸透により、アノードとカソードとに挟まれた電解質膜内を、アノード側からカソード側に移動する。 The electrons (e ) generated in the above formula (1) reach the cathode (oxidant electrode) after going through an external circuit and working on an external load. On the other hand, the protons (H + ) generated in the above formula (a) move from the anode side to the cathode side in the electrolyte membrane sandwiched between the anode and the cathode by electroosmosis while being hydrated with water. do.

一方、カソードでは、電解質膜を通過した上記式(a)で生じたプロトン(H)と、カソードガスとして供給された酸素と、外部回路を経由した上記式(a)で生じた電子(e)とが、下記式(b)の反応を進行させる。
2H + 1/2O + 2e → HO ・・・(b)
On the other hand, at the cathode, the protons (H + ) generated by the above formula (a) that passed through the electrolyte membrane, the oxygen supplied as the cathode gas, and the electrons (e - ) advances the reaction of the following formula (b).
2H + + 1/2O 2 + 2e → H 2 O (b)

したがって、電池全体では下記式(c)に示す化学反応が進行し、起電力が生じて、外部負荷に対して電気的仕事がなされる。
+ 1/2O → HO ・・・(c)
Therefore, the chemical reaction represented by the following formula (c) proceeds in the entire battery, an electromotive force is generated, and electrical work is performed on the external load.
H 2 + 1/2O 2 → H 2 O (c)

このような燃料電池は、通常、電解質膜を一対の電極で挟持した膜電極接合体を基本構造とする単セルを、複数積層して構成されている。中でも、電解質膜として固体高分子電解質膜を用いた固体高分子電解質型燃料電池は、小型化が容易であること、低い温度で作動すること、等の利点を有することから、特にモバイル機器等の携帯用、あるいは電気自動車等の移動体用の電源として期待されている。 Such a fuel cell is generally constructed by stacking a plurality of unit cells each having a basic structure of a membrane electrode assembly in which an electrolyte membrane is sandwiched between a pair of electrodes. Among them, a solid polymer electrolyte fuel cell using a solid polymer electrolyte membrane as an electrolyte membrane has advantages such as easy miniaturization and low temperature operation, and is particularly useful in mobile devices. It is expected to be used as a portable power source or a power source for mobile objects such as electric vehicles.

ここで、固体高分子電解質型燃料電池の単セルの構成としては、例えば、アノード側セパレーター、アノード側ガス拡散層、アノード側触媒層、電解質膜、カソード側触媒層、カソード側ガス拡散層、及びカソード側セパレーターが、この順に積層された積層体が知られている。 Here, the configuration of a single cell of a solid polymer electrolyte fuel cell includes, for example, an anode-side separator, an anode-side gas diffusion layer, an anode-side catalyst layer, an electrolyte membrane, a cathode-side catalyst layer, a cathode-side gas diffusion layer, and A laminate in which cathode-side separators are laminated in this order is known.

ここで、燃料電池は、高温低加湿の状況においては、アノードが乾燥しやすくなる。乾燥が進むと、抵抗分極が増大してセル性能が低下する。また、高温時の出力低下は避けられない。これに対して、カソードで生成した水をアノード側に送って利用することが提案されている(特許文献1参照)。 Here, in a fuel cell, the anode tends to dry out under high temperature and low humidity conditions. As drying progresses, resistive polarization increases and cell performance deteriorates. In addition, a decrease in output at high temperatures cannot be avoided. In response to this, it has been proposed to send the water generated at the cathode to the anode side for use (see Patent Document 1).

特許文献1においては、積層体を構成する層のうち、カソード側触媒層の厚みをアノード側触媒層の厚みよりも大きくし、アノード側ガス拡散層の厚みをカソード側ガス拡散層の厚みよりも大きくし、更に、積層体を構成するそれぞれの層の厚みを特定の関係とすることで、カソード側からアノード側への水の移動を促進する技術が提案されている。 In Patent Document 1, among the layers constituting the laminate, the thickness of the cathode-side catalyst layer is made larger than the thickness of the anode-side catalyst layer, and the thickness of the anode-side gas diffusion layer is made larger than the thickness of the cathode-side gas diffusion layer. A technique has been proposed in which the thickness of each layer constituting the laminate is increased and the thickness of each layer constituting the laminate is set in a specific relationship to promote the movement of water from the cathode side to the anode side.

特開2016-081581号公報JP 2016-081581 A

また、燃料電池は、反応の過程で過酸化水素が生成する場合がある。そして、生成した過酸化水素は、電解質成分であるアイオノマーを分解する。その結果、アイオノマーが主成分である電解質膜や、アイオノマーを成分として含む触媒層を劣化させ、電池の耐久性に問題を生じさせていた。 In addition, the fuel cell may generate hydrogen peroxide during the reaction process. The generated hydrogen peroxide decomposes the ionomer, which is an electrolyte component. As a result, an electrolyte membrane containing ionomer as a main component and a catalyst layer containing ionomer as a component are deteriorated, causing a problem in durability of the battery.

これに対して、燃料電池セルを構成する積層体の材料に、セリウム含有酸化物を添加することが知られている。セリウム含有酸化物は、過酸化水素を分解する触媒としての機能を有するセリウムイオンを発生させる。 On the other hand, it is known to add a cerium-containing oxide to the material of the laminate constituting the fuel cell. Cerium-containing oxides generate cerium ions that act as catalysts for decomposing hydrogen peroxide.

しかしながら、本発明者は、過酸化水素の分解触媒であるセリウム含有化合物を、ガス拡散層のマイクロポーラス層(MPL)に含有させた燃料電池においては、耐久中に、カソード側からアノード側への生成水の移動が不十分となり、その結果、カソード側において、生成水に溶解したセリウムイオンによってガス拡散層が親水化して、耐久後の電池性能が低下する場合があるとの知見を得た。 However, the present inventors have found that in a fuel cell in which a cerium-containing compound, which is a decomposition catalyst for hydrogen peroxide, is contained in the microporous layer (MPL) of the gas diffusion layer, the flow from the cathode side to the anode side during endurance The inventors have found that the movement of generated water becomes insufficient, and as a result, the gas diffusion layer on the cathode side becomes hydrophilic due to the cerium ions dissolved in the generated water, and the battery performance after endurance may deteriorate.

本発明は、上記の背景に鑑みてなされたものであり、ガス拡散層のマイクロポーラス層(MPL)に、セリウム含有化合物を含む燃料電池であっても、耐久後の出力性能を確保することのできる、燃料電池用の積層体を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above background, and is capable of ensuring output performance after endurance even in a fuel cell containing a cerium-containing compound in the microporous layer (MPL) of the gas diffusion layer. It is an object of the present invention to provide a laminate for a fuel cell that can

本発明者は、上記課題を解決するため鋭意検討を行った。そして、燃料電池用のガス拡散層において、拡散層基材層の厚みとマイクロポーラス層(MPL)の厚みとが、特定の関係にあれば、マイクロポーラス層(MPL)にセリウム含有化合物を含む燃料電池であっても、耐久後の出力性能を確保できることを見出し、本発明を完成させるに至った。すなわち、本発明は、以下のとおりである。 The inventor of the present invention has made intensive studies to solve the above problems. In the gas diffusion layer for a fuel cell, if the thickness of the diffusion layer substrate layer and the thickness of the microporous layer (MPL) have a specific relationship, the microporous layer (MPL) contains a cerium-containing compound. The inventors have found that even a battery can ensure output performance after endurance, and have completed the present invention. That is, the present invention is as follows.

アノード側ガス拡散層、電解質膜、カソード側ガス拡散層が、この順に積層されているる燃料電池用の積層体であって、
前記アノード側ガス拡散層は、前記電解質膜側から、アノード側マイクロポーラス層、及びアノード側拡散層基材層が、この順に積層されており、
前記カソード側ガス拡散層は、前記電解質膜側から、カソード側マイクロポーラス層、及びカソード側拡散層基材層が、この順に積層されており、
前記アノード側マイクロポーラス層及び前記カソード側マイクロポーラス層は、セリウム含有化合物を含み、
前記アノード側拡散層基材層の厚みをD1、前記アノード側マイクロポーラス層の厚みをD2、前記カソード側拡散層基材層の厚みをD3、前記カソード側マイクロポーラス層の厚みをD4、としたときに、下記式(1)、下記式(2)、及び下記式(3)を満足する、
燃料電池用の積層体。
D1/D2<D3/D4 ・・・(1)
D1/D2>3.0 ・・・(2)
D3/D4>3.0 ・・・(3)
A laminate for a fuel cell in which an anode-side gas diffusion layer, an electrolyte membrane, and a cathode-side gas diffusion layer are laminated in this order,
The anode-side gas diffusion layer comprises an anode-side microporous layer and an anode-side diffusion layer substrate layer laminated in this order from the electrolyte membrane side,
In the cathode-side gas diffusion layer, a cathode-side microporous layer and a cathode-side diffusion layer base layer are laminated in this order from the electrolyte membrane side,
the anode-side microporous layer and the cathode-side microporous layer comprise a cerium-containing compound;
D1 is the thickness of the anode-side diffusion layer substrate layer, D2 is the thickness of the anode-side microporous layer, D3 is the thickness of the cathode-side diffusion layer substrate layer, and D4 is the thickness of the cathode-side microporous layer. sometimes satisfying the following formulas (1), (2), and (3) below,
Laminates for fuel cells.
D1/D2<D3/D4 (1)
D1/D2>3.0 (2)
D3/D4>3.0 (3)

本発明の燃料電池用の積層体によれば、ガス拡散層のマイクロポーラス層(MPL)に、セリウム含有化合物を含む燃料電池であっても、耐久後の出力性能を確保できる、燃料電池を実現することができる。 According to the fuel cell laminate of the present invention, even if the fuel cell contains a cerium-containing compound in the microporous layer (MPL) of the gas diffusion layer, it realizes a fuel cell that can ensure output performance after endurance. can do.

一実施形態に係る本発明の燃料電池用の積層体の断面図である。1 is a cross-sectional view of a laminate for a fuel cell of the present invention according to one embodiment; FIG. アノード側及びカソード側のマイクロポーラス層(MPL)の厚みに対する拡散層基材層の厚みの比と、初期出力に対する温度変化耐久後出力の比との関係を示すグラフである。4 is a graph showing the relationship between the ratio of the thickness of the diffusion layer substrate layer to the thickness of the microporous layer (MPL) on the anode side and the cathode side, and the ratio of the output after temperature change endurance to the initial output. アノード側のマイクロポーラス層(MPL)の厚みに対する拡散層基材層の厚みの比に対する、カソード側のマイクロポーラス層(MPL)の厚みに対する拡散層基材層の厚みの比の比と、初期出力に対する温度変化耐久後出力の比との関係を示すグラフである。The ratio of the thickness of the diffusion layer substrate layer to the thickness of the microporous layer (MPL) on the cathode side to the ratio of the thickness of the diffusion layer substrate layer to the thickness of the microporous layer (MPL) on the anode side, and the initial output 3 is a graph showing the relationship between the ratio of output after temperature change endurance to .

以下、本発明の実施の形態について詳述する。なお、本発明は、以下の実施の形態に限定されるのではなく、種々変形して実施することができる。 Embodiments of the present invention will be described in detail below. It should be noted that the present invention is not limited to the following embodiments, and can be implemented in various modifications.

《燃料電池用の積層体》
本発明の燃料電池用の積層体は、燃料電池セルを構成する積層体の少なくとも一部であり、アノード側ガス拡散層、電解質膜、カソード側ガス拡散層が、この順に積層されている、積層体である。そして、アノード側及びカソード側それぞれのガス拡散層は、電解質膜側から、マイクロポーラス層、及び拡散層基材層が、この順に積層されている。
《Laminates for fuel cells》
A fuel cell laminate of the present invention is at least a part of a laminate constituting a fuel cell, and is a laminate in which an anode-side gas diffusion layer, an electrolyte membrane, and a cathode-side gas diffusion layer are laminated in this order. is the body. Each of the gas diffusion layers on the anode side and the cathode side has a microporous layer and a diffusion layer substrate layer laminated in this order from the electrolyte membrane side.

本発明の燃料電池用の積層体は、アノード側マイクロポーラス層及びカソード側マイクロポーラス層が、セリウム含有化合物を含んでおり、アノード側拡散層基材層、アノード側マイクロポーラス層、カソード側拡散層基材層、及びカソード側マイクロポーラス層のそれぞれの厚みが、特定の関係を有する。 In the laminate for a fuel cell of the present invention, the anode-side microporous layer and the cathode-side microporous layer contain a cerium-containing compound, and the anode-side diffusion layer substrate layer, the anode-side microporous layer, and the cathode-side diffusion layer are composed of: The respective thicknesses of the substrate layer and the cathode-side microporous layer have a specific relationship.

本発明の燃料電池用の積層体は、アノード側拡散層基材層、アノード側マイクロポーラス層、カソード側拡散層基材層、及びカソード側マイクロポーラス層のそれぞれの厚みが、特定の関係を有することにより、アノード側マイクロポーラス層及びカソード側マイクロポーラス層が、セリウム含有化合物を含んでいても、耐久後の出力性能を確保することのできる、燃料電池を実現することができる。 In the fuel cell laminate of the present invention, the respective thicknesses of the anode-side diffusion layer substrate layer, the anode-side microporous layer, the cathode-side diffusion layer substrate layer, and the cathode-side microporous layer have specific relationships. As a result, even if the anode-side microporous layer and the cathode-side microporous layer contain a cerium-containing compound, it is possible to realize a fuel cell capable of ensuring output performance after endurance.

本発明の燃料電池用の積層体は、アノード側ガス拡散層、電解質膜、カソード側ガス拡散層を、必須の構成要素としていれば、その他の層が存在していてもよい。その他の層としては、例えば、セパレーターや触媒層等が挙げられるが、これらに限定されるものではない。 The fuel cell laminate of the present invention may contain other layers as long as the anode-side gas diffusion layer, the electrolyte membrane, and the cathode-side gas diffusion layer are essential components. Other layers include, for example, separators and catalyst layers, but are not limited to these.

一般的な燃料電池セルに格納される積層体の構成としては、例えば、アノード側セパレーター、アノード側ガス拡散層、アノード側触媒層、電解質膜、カソード側触媒層、カソード側ガス拡散層、及びカソード側セパレーターが、この順に積層された積層体が挙げられる。 The structure of a laminate stored in a general fuel cell includes, for example, an anode-side separator, an anode-side gas diffusion layer, an anode-side catalyst layer, an electrolyte membrane, a cathode-side catalyst layer, a cathode-side gas diffusion layer, and a cathode. A laminate in which the side separators are laminated in this order can be mentioned.

図1は、一実施形態に係る本発明の燃料電池用の積層体の断面図である。本発明の一実施形態に係る積層体100は、アノード側拡散層基材層11及びアノード側マイクロポーラス層12が積層された構成のアノード側ガス拡散層10、アノード側触媒層15、電解質膜30、カソード側触媒層25、並びに、カソード側拡散層基材層21及びカソード側マイクロポーラス層22が積層された構成のカソード側ガス拡散層20が、この順に積層された積層体である。 FIG. 1 is a cross-sectional view of a fuel cell stack according to one embodiment of the present invention. A laminate 100 according to an embodiment of the present invention comprises an anode-side gas diffusion layer 10, an anode-side catalyst layer 15, and an electrolyte membrane 30, which are formed by laminating an anode-side diffusion layer substrate layer 11 and an anode-side microporous layer 12. , the cathode catalyst layer 25, the cathode diffusion layer substrate layer 21, and the cathode microporous layer 22 are laminated in this order.

図1に示される積層体100においては、本発明の燃料電池用の積層体において必須の構成要素となる、ガス拡散層と電解質膜の間に、アノード側及びカソード側それぞれにおいて、触媒層が存在している。そして、アノード側及びカソード側それぞれのマイクロポーラス層が、当該触媒層に面している。 In the laminate 100 shown in FIG. 1, a catalyst layer is present on each of the anode side and the cathode side between the gas diffusion layer and the electrolyte membrane, which are essential components of the fuel cell laminate of the present invention. are doing. The anode-side and cathode-side microporous layers face the catalyst layer.

本発明の燃料電池用の積層体は、アノード側マイクロポーラス層及びカソード側マイクロポーラス層が、セリウム含有化合物を含んでいる。すなわち、図1に示される積層体100においては、アノード側マイクロポーラス層12及びカソード側マイクロポーラス層22が、セリウム含有化合物を含む。 In the fuel cell laminate of the present invention, the anode-side microporous layer and the cathode-side microporous layer contain a cerium-containing compound. That is, in the laminate 100 shown in FIG. 1, the anode-side microporous layer 12 and the cathode-side microporous layer 22 contain a cerium-containing compound.

更に、本発明の燃料電池用の積層体は、アノード側拡散層基材層、アノード側マイクロポーラス層、カソード側拡散層基材層、及びカソード側マイクロポーラス層のそれぞれの厚みが、特定の関係を有する。すなわち、図1に示される積層体100においては、アノード側拡散層基材層11、アノード側マイクロポーラス層12、カソード側拡散層基材層21、及びカソード側マイクロポーラス層22のそれぞれの厚みが、特定の関係を有する。 Further, in the fuel cell laminate of the present invention, the respective thicknesses of the anode-side diffusion layer substrate layer, the anode-side microporous layer, the cathode-side diffusion layer substrate layer, and the cathode-side microporous layer have specific relationships. have That is, in the laminate 100 shown in FIG. 1, each of the anode-side diffusion layer base layer 11, the anode-side microporous layer 12, the cathode-side diffusion layer base layer 21, and the cathode-side microporous layer 22 has a thickness of , has a specific relationship.

<ガス拡散層>
本発明の燃料電池用の積層体において、アノード側のガス拡散層、及びカソード側のガス拡散層は、必須の構成層である。そして、本発明においては、これらの間に、電解質膜が存在している。
<Gas diffusion layer>
In the fuel cell laminate of the present invention, the anode-side gas diffusion layer and the cathode-side gas diffusion layer are essential constituent layers. In the present invention, an electrolyte membrane exists between them.

ガス拡散層は、供給される反応ガスを拡散させて均一にし、燃料電池の単セルとした場合に、隣接する触媒層にガスを行き渡らせる機能を有する。 The gas diffusion layer has the function of diffusing and uniformizing the reactant gas to be supplied, and spreading the gas over the adjacent catalyst layers in the case of a single cell of the fuel cell.

本発明においてガス拡散層は、拡散層基材層にマイクロポーラス層が積層された積層体となっている。そして、燃料電池に組み込まれる際には、マイクロポーラス層が、隣接する触媒層に面するように配置される。 In the present invention, the gas diffusion layer is a laminate in which a microporous layer is laminated on a diffusion layer base material layer. Then, when incorporated into a fuel cell, the microporous layer is positioned to face the adjacent catalyst layer.

(拡散層基材層)
ガス拡散層における拡散層基材層は、燃料電池の単セルとした場合に、隣接する触媒層に、反応ガスを供給する多孔質の層である。拡散層基材層は、ガス透過性を有するとともに、導電性を有する材料で構成されることが好ましい。
(Diffusion layer base layer)
The diffusion layer substrate layer in the gas diffusion layer is a porous layer that supplies a reaction gas to the adjacent catalyst layer in the case of a single cell of a fuel cell. The diffusion layer substrate layer is preferably made of a material having gas permeability and electrical conductivity.

本発明の燃料電池用の積層体においては、拡散層基材層として一般的に用いられる材料であれば、特に限定されることなく用いることができ、例えば、カーボンペーパー若しくはカーボンクロス等のカーボン多孔質体、又は金属メッシュ若しくは発泡金属等の金属多孔質体等を挙げることができる。なお、カーボンペーパー若しくはカーボンクロス等のカーボン多孔質体は、例えば、炭素繊維、及びポリテトラフルオロエチレン等のバインダ等から形成されていてもよい。 In the laminate for a fuel cell of the present invention, any material that is generally used as a diffusion layer substrate layer can be used without particular limitation. A material, or a metal porous material such as a metal mesh or a foamed metal can be used. Incidentally, the carbon porous body such as carbon paper or carbon cloth may be formed of, for example, carbon fiber and a binder such as polytetrafluoroethylene.

なお、本発明の燃料電池用の積層体において、ガス拡散層を構成する拡散層基材層の細孔径、密度、厚み等は、アノード側及びカソード側のいずれにおいても、特に限定されるものではなく、形成される燃料電池の要求性能に応じて、適宜設定することができる。 In the fuel cell laminate of the present invention, the pore diameter, density, thickness, etc. of the diffusion layer base material layer constituting the gas diffusion layer are not particularly limited on either the anode side or the cathode side. However, it can be appropriately set according to the required performance of the fuel cell to be formed.

(マイクロポーラス層(MPL))
ガス拡散層におけるマイクロポーラス層は、拡散層基材層の上に存在し、燃料電池の単セルとした場合に、触媒層と隣接する層となる。燃料電池用の積層体を構成するガス拡散層にMPLが形成されることにより、燃料電池セルにおけるガス拡散性が向上する。
(Microporous layer (MPL))
The microporous layer in the gas diffusion layer is present on the diffusion layer substrate layer, and becomes a layer adjacent to the catalyst layer in the case of a single cell of the fuel cell. By forming the MPL on the gas diffusion layer that constitutes the fuel cell laminate, the gas diffusion property in the fuel cell is improved.

マイクロポーラス層(MPL)の製造方法は、特に限定されるものではないが、例えば、拡散層基材の表面に、MPL形成用スラリーをダイコータ等によって塗工し、あるいは、MPL形成用ペーストを塗工ヘッドから吐出して塗工し、その後、乾燥及び焼成する方法が挙げられる。 The method for producing the microporous layer (MPL) is not particularly limited. A method of applying by discharging from a working head, followed by drying and baking may be mentioned.

本発明の燃料電池用の積層体におけるガス拡散層におけるマイクロポーラス層は、アノード側及びカソード側のいずれにおいても、過酸化水素分解触媒となるセリウムイオンを発生させるセリウム含有化合物を含んでいる。したがって、MPL形成用スラリー、又はMPL形成用ペーストは、アノード側及びカソード側のいずれにおいても、セリウム含有化合物を必須の成分として含む組成物となる。 The microporous layer in the gas diffusion layer in the fuel cell laminate of the present invention contains a cerium-containing compound that generates cerium ions that serve as hydrogen peroxide decomposition catalysts on both the anode side and the cathode side. Therefore, the MPL-forming slurry or MPL-forming paste is a composition containing a cerium-containing compound as an essential component on both the anode side and the cathode side.

過酸化水素分解触媒となるセリウムイオンを発生するセリウム含有化合物としては、特に限定されるものではなく、セリウム含有酸化物や錯体であってもよく、例えば、酸化セリウム(CeO)が挙げられる。 The cerium-containing compound that generates cerium ions serving as a hydrogen peroxide decomposition catalyst is not particularly limited, and may be a cerium-containing oxide or complex, such as cerium oxide (CeO 2 ).

また、ガス拡散層におけるマイクロポーラス層を構成するその他の成分は、特に限定されるものではないが、一般に、炭素粒子と撥水性樹脂とを、主成分として挙げることができる。 In addition, other components constituting the microporous layer in the gas diffusion layer are not particularly limited, but generally carbon particles and a water-repellent resin can be mentioned as main components.

炭素粒子としては、例えば、カーボンブラック、グラフェン、又は黒鉛等の粒子等を挙げることができる。 Examples of carbon particles include particles of carbon black, graphene, graphite, and the like.

炭素粒子の平均一次粒子径は、25nm~70nmであってよい。炭素粒子の平均一次粒子径は、25nm以上、45nm以上、又は65nm以上であってよく、70nm以下、60nm以下、又は50nm以下であってよい。 The carbon particles may have an average primary particle size of 25 nm to 70 nm. The average primary particle size of the carbon particles may be 25 nm or more, 45 nm or more, or 65 nm or more, and may be 70 nm or less, 60 nm or less, or 50 nm or less.

なお、炭素粒子の平均一次粒子径は、透過型電子顕微鏡(TEM)や走査型電子顕微鏡(SEM)等の電子顕微鏡を用いて、無作為に選択した100個以上の粒子について定方向径(Feret径)を測定し、得られた測定値を算術平均した値である。 The average primary particle diameter of the carbon particles is determined by using an electron microscope such as a transmission electron microscope (TEM) or a scanning electron microscope (SEM) to determine the directional diameter (Feret diameter), and the arithmetic mean of the obtained measured values.

撥水性樹脂としては、例えば、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、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等のフッ素系の高分子材料や、ポリプロピレン、ポリエチレン等を挙げることができる。 Examples of water-repellent resins include fluorine-based polymer materials such as polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylidene fluoride (PVDF), polyhexafluoropropylene, and tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer, polypropylene, Polyethylene etc. can be mentioned.

本発明の燃料電池用の積層体において、ガス拡散層を構成するマイクロポーラス層(MPL)の厚みは、アノード側及びカソード側のいずれにおいても、特に限定されるものではなく、形成される燃料電池の要求性能に応じて、適宜設定することができる。例えば、20μm以上であってもよい。 In the fuel cell laminate of the present invention, the thickness of the microporous layer (MPL) constituting the gas diffusion layer is not particularly limited on either the anode side or the cathode side, and the fuel cell formed is can be appropriately set according to the required performance. For example, it may be 20 μm or more.

(拡散層基材層の厚みとマイクロポーラス層(MPL)の厚みとの関係)
本発明の燃料電池用の積層体のガス拡散層は、アノード側拡散層基材層、アノード側マイクロポーラス層、カソード側拡散層基材層、及びカソード側マイクロポーラス層のそれぞれの厚みが、特定の関係を有する。
(Relationship between the thickness of the diffusion layer base layer and the thickness of the microporous layer (MPL))
In the gas diffusion layer of the fuel cell laminate of the present invention, the thickness of each of the anode-side diffusion layer substrate layer, the anode-side microporous layer, the cathode-side diffusion layer substrate layer, and the cathode-side microporous layer is specified. have a relationship of

具体的には、アノード側拡散層基材層の厚みをD1、アノード側マイクロポーラス層の厚みをD2、カソード側拡散層基材層の厚みをD3、カソード側マイクロポーラス層の厚みをD4、としたときに、下記式(1)、下記式(2)、及び下記式(3)を満足する。
D1/D2<D3/D4 ・・・(1)
D1/D2>3.0 ・・・(2)
D3/D4>3.0 ・・・(3)
Specifically, the thickness of the anode-side diffusion layer substrate layer is D1, the thickness of the anode-side microporous layer is D2, the thickness of the cathode-side diffusion layer substrate layer is D3, and the thickness of the cathode-side microporous layer is D4. Then, the following formulas (1), (2), and (3) are satisfied.
D1/D2<D3/D4 (1)
D1/D2>3.0 (2)
D3/D4>3.0 (3)

上記式(1)は、カソード側のマイクロポーラス層(MPL)の厚みに対する拡散層基材層の厚みの比が、アノード側のマイクロポーラス層(MPL)の厚みに対する拡散層基材層の厚みの比よりも大きいことを意味する。 The above formula (1) indicates that the ratio of the thickness of the diffusion layer base material layer to the thickness of the microporous layer (MPL) on the cathode side is the ratio of the thickness of the diffusion layer base material layer to the thickness of the microporous layer (MPL) on the anode side. means greater than the ratio.

上記式(1)を満足することにより、カソード側拡散層の排水性を向上することができる。 By satisfying the above formula (1), the drainage properties of the cathode-side diffusion layer can be improved.

アノード側拡散層基材層の厚みD1、アノード側マイクロポーラス層の厚みD2、カソード側拡散層基材層の厚みD3、カソード側マイクロポーラス層の厚みD4は、下記式(1a)の関係であってもよく、下記式(1b)の関係であってもよい。
1.5×(D1/D2)<D3/D4 ・・・(1a)
2.0×(D1/D2)<D3/D4 ・・・(1b)
The thickness D1 of the anode-side diffusion layer substrate layer, the thickness D2 of the anode-side microporous layer, the thickness D3 of the cathode-side diffusion layer substrate layer, and the thickness D4 of the cathode-side microporous layer are related by the following formula (1a). may be the relationship of the following formula (1b).
1.5×(D1/D2)<D3/D4 (1a)
2.0×(D1/D2)<D3/D4 (1b)

また、アノード側拡散層基材層の厚みD1、アノード側マイクロポーラス層の厚みD2、カソード側拡散層基材層の厚みD3、カソード側マイクロポーラス層の厚みD4は、下記式(1c)の関係であってもよく、下記式(1d)の関係であってもよい。
3.0×(D1/D2)>D3/D4 ・・・(1c)
2.5×(D1/D2)>D3/D4 ・・・(1d)
Further, the thickness D1 of the anode-side diffusion layer substrate layer, the thickness D2 of the anode-side microporous layer, the thickness D3 of the cathode-side diffusion layer substrate layer, and the thickness D4 of the cathode-side microporous layer are related by the following formula (1c). or the relationship of the following formula (1d).
3.0×(D1/D2)>D3/D4 (1c)
2.5×(D1/D2)>D3/D4 (1d)

上記式(2)は、アノード側のマイクロポーラス層(MPL)の厚みに対するアノード側の拡散層基材層の厚みの比が、3よりも大きいことを意味する。また、上記式(3)は、カソード側のマイクロポーラス層(MPL)の厚みに対するカソード側の拡散層基材層の厚みの比が、3よりも大きいことを意味する。 The above formula (2) means that the ratio of the thickness of the diffusion layer substrate layer on the anode side to the thickness of the microporous layer (MPL) on the anode side is greater than 3. Moreover, the above formula (3) means that the ratio of the thickness of the diffusion layer substrate layer on the cathode side to the thickness of the microporous layer (MPL) on the cathode side is greater than 3.

上記式(2)及び上記式(3)を満足することにより、マイクロポーラス層(MPL)に含まれるセリウム含有化合物がイオン化して生成水に溶け出す影響を小さくすることでき、拡散層の撥水性の低下を抑制することができる。 By satisfying the above formulas (2) and (3), the effect of ionization of the cerium-containing compound contained in the microporous layer (MPL) and dissolution into the generated water can be reduced, and the water repellency of the diffusion layer can be reduced. can be suppressed.

アノード側拡散層基材層の厚みD1、及びアノード側マイクロポーラス層の厚みD2は、下記式(2a)の関係であってもよく、下記式(2b)の関係であってもよい。
D1/D2>3.5 ・・・(2a)
D1/D2>4.0 ・・・(2b)
The thickness D1 of the anode-side diffusion layer substrate layer and the thickness D2 of the anode-side microporous layer may have the relationship of the following formula (2a) or the following formula (2b).
D1/D2>3.5 (2a)
D1/D2>4.0 (2b)

また、アノード側拡散層基材層の厚みD1、及びアノード側マイクロポーラス層の厚みD2は、下記式(2c)の関係であってもよく、下記式(2d)の関係であってもよい。
D1/D2<5.0 ・・・(2c)
D1/D2<4.5 ・・・(2d)
Further, the thickness D1 of the anode-side diffusion layer substrate layer and the thickness D2 of the anode-side microporous layer may have the relationship of the following formula (2c) or the following formula (2d).
D1/D2<5.0 (2c)
D1/D2<4.5 (2d)

カソード側拡散層基材層の厚みD3、及びカソード側マイクロポーラス層の厚みD4は、下記式(3a)の関係であってもよく、下記式(3b)の関係であってもよい。
D3/D4>3.5 ・・・(3a)
D3/D4>4.0 ・・・(3b)
The thickness D3 of the cathode-side diffusion layer substrate layer and the thickness D4 of the cathode-side microporous layer may have the relationship of the following formula (3a) or the following formula (3b).
D3/D4>3.5 (3a)
D3/D4>4.0 (3b)

また、カソード側拡散層基材層の厚みD3、及びカソード側マイクロポーラス層の厚みD4は、下記式(3c)の関係であってもよく、下記式(3d)の関係であってもよい。
D3/D4<5.0 ・・・(3c)
D3/D4<4.5 ・・・(3d)
Further, the thickness D3 of the cathode-side diffusion layer substrate layer and the thickness D4 of the cathode-side microporous layer may have the relationship of the following formula (3c) or the following formula (3d).
D3/D4<5.0 (3c)
D3/D4<4.5 (3d)

なお、本発明におけるアノード側拡散層基材層の厚み、アノード側マイクロポーラス層の厚み、カソード側拡散層基材層の厚み、及びカソード側マイクロポーラス層の厚みは、それぞれの層の任意の10箇所を測定した平均値であってよい。 In the present invention, the thickness of the anode-side diffusion layer substrate layer, the thickness of the anode-side microporous layer, the thickness of the cathode-side diffusion layer substrate layer, and the thickness of the cathode-side microporous layer can be any 10 It may be the average value of the points measured.

<電解質膜>
電解質膜は、本発明の燃料電池用の積層体において、必須の構成層であり、アノード側ガス拡散層とカソード側ガス拡散層との間に配置される。電解質膜は、電子及びガスの流通を阻止するとともに、アノードで発生したプロトン(H)を、アノード側触媒層からカソード側触媒層に移動させる機能を有する。
<Electrolyte membrane>
The electrolyte membrane is an essential constituent layer in the fuel cell laminate of the present invention, and is arranged between the anode-side gas diffusion layer and the cathode-side gas diffusion layer. The electrolyte membrane has the function of blocking the flow of electrons and gases, and of transferring protons (H + ) generated at the anode from the anode-side catalyst layer to the cathode-side catalyst layer.

電解質膜としては、特に限定されるものではなく、燃料電池に用いられる電解質膜として公知の膜を用いることができる。電解質膜として固体高分子電解質膜を用いる固体高分子電解質型燃料電池の場合には、例えば、パーフルオロスルホン酸(PFSA)アイオノマー等のスルホン酸基を含む高分子電解質樹脂で形成された、イオン伝導性を有するイオン交換膜が挙げらる。なお、スルホン酸基に限定されるものではなく、例えば、リン酸基やカルボン酸基等、他のイオン交換基(電解質成分)を含む膜であってもよい。 The electrolyte membrane is not particularly limited, and known membranes as electrolyte membranes used in fuel cells can be used. In the case of a solid polymer electrolyte fuel cell using a solid polymer electrolyte membrane as the electrolyte membrane, for example, an ion-conducting polymer electrolyte resin formed of a polymer electrolyte resin containing sulfonic acid groups such as perfluorosulfonic acid (PFSA) ionomer. an ion-exchange membrane having properties. The membrane is not limited to sulfonic acid groups, and may include other ion exchange groups (electrolyte components) such as phosphoric acid groups and carboxylic acid groups.

市販されているイオン交換膜を適用してもよく、パーフルオロスルホン酸(PFSA)アイオノマーなどの固体高分子材料である高分子電解質樹脂で形成されており、イオン伝導性を有する高分子膜を電解質とするイオン交換膜からなる。スルホン酸基を含むフッ素樹脂系イオン交換膜の市販品としては、例えば、デュポン社のナフィオン(登録商標)、旭化成(株)のアシプレックス(登録商標)、旭硝子(株)のフレミオン(登録商標)等が挙げられる。 A commercially available ion exchange membrane may be applied, and a polymer membrane having ion conductivity formed of a polymer electrolyte resin, which is a solid polymer material such as perfluorosulfonic acid (PFSA) ionomer, is used as the electrolyte. It consists of an ion exchange membrane with Examples of commercially available fluororesin-based ion exchange membranes containing sulfonic acid groups include Nafion (registered trademark) manufactured by DuPont, Aciplex (registered trademark) manufactured by Asahi Kasei Corporation, and Flemion (registered trademark) manufactured by Asahi Glass Co., Ltd. etc.

電解質膜の厚みは、特に限定されるものではなく、形成される燃料電池の要求性能に応じて、適宜設定することができる。電解質膜の厚みは、例えば、10μm以下であってもよい。 The thickness of the electrolyte membrane is not particularly limited, and can be appropriately set according to the required performance of the fuel cell to be formed. The thickness of the electrolyte membrane may be, for example, 10 μm or less.

<その他の層>
本発明の燃料電池用の積層体は、アノード側ガス拡散層、電解質膜、カソード側ガス拡散層を、必須の構成要素としていれば、その他の層が存在していてもよい。その他の層としては、例えば、セパレーターや触媒層等が挙げられるが、これらに限定されるものではない。
<Other layers>
The fuel cell laminate of the present invention may contain other layers as long as the anode-side gas diffusion layer, the electrolyte membrane, and the cathode-side gas diffusion layer are essential components. Other layers include, for example, separators and catalyst layers, but are not limited to these.

(触媒層)
本発明の燃料電池用の積層体の任意の層となる触媒層は、特に限定されるものではなく、公知の触媒層を適用することができる。
(catalyst layer)
The catalyst layer that is an arbitrary layer of the fuel cell laminate of the present invention is not particularly limited, and a known catalyst layer can be applied.

アノード側触媒層は、反応ガスである水素(H)を、プロトン(H)と電子(e)に分解する機能を有する。一方で、カソード側触媒層は、プロトン(H)と電子(e)と酸素(O)から、水(HO)を生成する機能を有する。 The anode-side catalyst layer has a function of decomposing hydrogen (H 2 ), which is a reaction gas, into protons (H + ) and electrons (e ). On the other hand, the cathode-side catalyst layer has the function of generating water (H 2 O) from protons (H + ), electrons (e ), and oxygen (O 2 ).

アノード側及びカソード側の触媒層は、同様の材料で形成することができる。例えば、白金や白金合金等の触媒を担持した導電性の担体が用いられ、更に具体的には、例えば、導電性物質として機能するカーボンブラック等の炭素粒子に触媒が担持された、触媒担持炭素粒子と、上記した電解質膜の構成成分である、イオン交換基によりプロトン伝導性を発現する電解質成分と、から構成される層が挙げられる。触媒担持炭素粒子が、プロトン伝導性を有するアイオノマー等の電解質成分により被覆されて形成された層であってもよい。 The catalyst layers on the anode side and cathode side can be made of similar materials. For example, a conductive carrier supporting a catalyst such as platinum or a platinum alloy is used, and more specifically, a catalyst-supporting carbon in which a catalyst is supported on carbon particles such as carbon black that functions as a conductive substance. Examples include a layer composed of particles and an electrolyte component that exhibits proton conductivity due to ion exchange groups, which is a component of the electrolyte membrane described above. A layer formed by coating the catalyst-supporting carbon particles with an electrolyte component such as an ionomer having proton conductivity may be used.

触媒層の厚みは、特に限定されるものではなく、形成される燃料電池の要求性能に応じて、適宜設定することができる。 The thickness of the catalyst layer is not particularly limited, and can be appropriately set according to the required performance of the fuel cell to be formed.

以下、実験結果を示して、本発明を更に詳細に説明する。 Hereinafter, the present invention will be described in more detail by showing experimental results.

《実験例1》マイクロポーラス層(MPL)の厚みに対する拡散層基材層の厚みの比と、初期出力に対する温度変化耐久後出力の比との関係
実験例1においては、アノード側拡散層基材層の厚み(D1)及びカソード側拡散層基材層の厚み(D3)は固定し、アノード側マイクロポーラス層の厚み(D2)及びカソード側マイクロポーラス層の厚み(D4)を同一の厚みで変化させて、6つの燃料電池を作製した。得られた6つの燃料電池について、初期出力と、温度変化耐久後出力とを評価した。
<<Experimental Example 1>> The relationship between the ratio of the thickness of the diffusion layer substrate layer to the thickness of the microporous layer (MPL) and the ratio of the output after temperature change endurance to the initial output In Experimental Example 1, the anode side diffusion layer substrate The thickness of the layer (D1) and the thickness of the cathode-side diffusion layer substrate layer (D3) are fixed, and the thickness of the anode-side microporous layer (D2) and the thickness of the cathode-side microporous layer (D4) are changed at the same thickness. 6 fuel cells were produced. The six fuel cells obtained were evaluated for initial output and output after temperature change endurance.

<燃料電池の作製> <Fabrication of fuel cell>

(ガス拡散層の作製)
多孔質基材として、12枚のカーボンペーパーを準備した。それぞれのカーボンペーパーの表面に、酸化セリウム(CeO)と、炭素粒子と、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)を含むマイクロポーラス層(MPL)形成用スラリーを、ダイコータによって塗工し、乾燥の後に焼成することで、拡散層基材層にマイクロポーラス層(MPL)が積層されたガス拡散層を作製した。
(Preparation of gas diffusion layer)
Twelve sheets of carbon paper were prepared as porous substrates. A slurry for forming a microporous layer (MPL) containing cerium oxide (CeO 2 ), carbon particles, and polytetrafluoroethylene (PTFE) is applied to the surface of each carbon paper by a die coater, dried and then baked. By doing so, a gas diffusion layer in which a microporous layer (MPL) was laminated on the diffusion layer substrate layer was produced.

このとき、形成されるマイクロポーラス層(MPL)の厚みが、2枚1組で同一となるように形成し、6組のガス拡散層を作製した。 At this time, the thickness of the formed microporous layer (MPL) was formed so that each set of two microporous layers had the same thickness, and six sets of gas diffusion layers were produced.

(積層体の作製)
上記で得られたガス拡散層の1組を、カソード側ガス拡散層及びアノード側ガス拡散層として用いて、アノード側ガス拡散層/アノード側触媒層/電解質膜/カソード側触媒層/カソード側ガス拡散層が、この順に積層された積層体を構成し、一対のセパレータで挟み込むことで、マイクロポーラス層の厚みが互いに異なる、6種類の燃料電池を作製した。
(Preparation of laminate)
Using one set of gas diffusion layers obtained above as a cathode-side gas diffusion layer and an anode-side gas diffusion layer, anode-side gas diffusion layer/anode-side catalyst layer/electrolyte membrane/cathode-side catalyst layer/cathode-side gas Diffusion layers were laminated in this order to form a laminate, which was sandwiched between a pair of separators to produce six types of fuel cells having microporous layers with different thicknesses.

なお、アノード側触媒層及びカソード側触媒層には、それぞれに隣接するガス拡散層のマイクロポーラス層(MPL)が面するように配置した。 The anode-side catalyst layer and the cathode-side catalyst layer were arranged so that the microporous layers (MPL) of the adjacent gas diffusion layers faced each other.

<電池の評価>
(初期出力)
作製した6種類の燃料電池について、初期出力の評価を実施した。初期出力は、作製した燃料電池に反応ガスを流して電流を掃引したときの、最大出力点における出力とした。
<Battery evaluation>
(initial output)
The initial output was evaluated for the 6 types of fuel cells produced. The initial output was defined as the output at the maximum output point when the reaction gas was passed through the fabricated fuel cell and the current was swept.

(温度変化耐久後出力)
作製した6種類の燃料電池について、温度変化耐久後出力を評価した。温度変化耐久試験としては、一定の低電流密度で電流を掃引しながら、使用年数を想定した回数、温度の上げ下げを繰り返す操作を実施した。耐久試験後、上記の初期出力と同様にして、最大出力点における出力を評価した。
(output after temperature change endurance)
Output after temperature change endurance was evaluated for the six types of fuel cells that were produced. As the temperature change endurance test, an operation was performed in which the temperature was repeatedly raised and lowered for the number of times assumed to be used while sweeping the current at a constant low current density. After the endurance test, the output at the maximum output point was evaluated in the same manner as the initial output.

<評価結果>
図2は、アノード側及びカソード側のマイクロポーラス層(MPL)の厚みに対する拡散層基材層の厚みの比と、初期出力に対する温度変化耐久後出力の比との関係を示す図である。グラフの横軸は、マイクロポーラス層(MPL)の厚みに対する拡散層基材層の厚みの比であり、グラフの縦軸は、得られた燃料電池の初期出力に対する耐久後出力の割合を示す。なお、グラフの縦軸は、マイクロポーラス層(MPL)の厚みに対する拡散層基材層の厚みの比が3の場合を基準とした、相対値とした。
<Evaluation results>
FIG. 2 is a diagram showing the relationship between the ratio of the thickness of the diffusion layer substrate layer to the thickness of the microporous layers (MPL) on the anode side and the cathode side, and the ratio of the output after temperature change endurance to the initial output. The horizontal axis of the graph is the ratio of the thickness of the diffusion layer substrate layer to the thickness of the microporous layer (MPL), and the vertical axis of the graph is the ratio of the post-endurance output to the initial output of the obtained fuel cell. The vertical axis of the graph is a relative value based on the case where the ratio of the thickness of the diffusion layer substrate layer to the thickness of the microporous layer (MPL) is 3 as a reference.

図2より、マイクロポーラス層(MPL)の厚みに対する拡散層基材層の厚みの比が、アノード側及びカソード側の両者ともに3より大きい範囲であれば、初期出力に対する温度変化耐久後出力の割合が高い。したがって、ガス拡散層のマイクロポーラス層(MPL)に、セリウム含有化合物を含む燃料電池であっても、耐久後の出力性能が確保できていることが判る。 From FIG. 2, if the ratio of the thickness of the diffusion layer substrate layer to the thickness of the microporous layer (MPL) is greater than 3 on both the anode side and the cathode side, the ratio of the output after temperature change endurance to the initial output is high. Therefore, it can be seen that the output performance after endurance can be ensured even in a fuel cell containing a cerium-containing compound in the microporous layer (MPL) of the gas diffusion layer.

《実験例2》アノード側のマイクロポーラス層(MPL)の厚みに対する拡散層基材層の厚みの比に対する、カソード側のマイクロポーラス層(MPL)の厚みに対する拡散層基材層の厚みの比の比と、初期出力に対する温度変化耐久後出力の比との関係
実験例2においては、アノード側拡散層基材層の厚み(D1)とカソード側拡散層基材層の厚み(D3)は固定し、アノード側マイクロポーラス層の厚み(D2)とカソード側マイクロポーラス層の厚み(D4)を変化させて、5つの燃料電池を作製した。得られた5つの燃料電池について、初期出力と、温度変化耐久後出力とを評価した。
<<Experimental Example 2>> The ratio of the thickness of the diffusion layer base material layer to the thickness of the microporous layer (MPL) on the cathode side with respect to the ratio of the thickness of the diffusion layer base material layer to the thickness of the microporous layer (MPL) on the anode side. Relationship between the ratio and the ratio of output after temperature change endurance to initial output , the thickness (D2) of the anode-side microporous layer and the thickness (D4) of the cathode-side microporous layer were varied to fabricate five fuel cells. The five fuel cells thus obtained were evaluated for initial output and output after temperature change endurance.

<燃料電池の作製>
(アノード側ガス拡散層の作製)
多孔質基材として、6枚のカーボンペーパーを準備した。それぞれのカーボンペーパーの表面に、酸化セリウム(CeO)と、炭素粒子と、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)を含むマイクロポーラス層(MPL)形成用スラリーを、ダイコータによって塗工し、乾燥の後に焼成することで、拡散層基材層にマイクロポーラス層(MPL)が積層されたガス拡散層を作製した。
<Fabrication of fuel cell>
(Fabrication of anode-side gas diffusion layer)
Six sheets of carbon paper were prepared as porous substrates. A slurry for forming a microporous layer (MPL) containing cerium oxide (CeO 2 ), carbon particles, and polytetrafluoroethylene (PTFE) is applied to the surface of each carbon paper by a die coater, dried and then baked. By doing so, a gas diffusion layer in which a microporous layer (MPL) was laminated on the diffusion layer substrate layer was produced.

このとき、形成されるマイクロポーラス層(MPL)の厚みを互いに異ならせて、アノード側マイクロポーラス層の厚み(D2)が異なる5種類のアノード側ガス拡散層を作製した。 At this time, by varying the thickness of the formed microporous layer (MPL), five types of anode-side gas diffusion layers having different thicknesses (D2) of the anode-side microporous layer were produced.

(カソード側ガス拡散層の作製)
拡散層基材として、カーボンペーパーを5枚準備した。それぞれのカーボンペーパーの表面に、酸化セリウム(CeO)と、炭素粒子と、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)を含むマイクロポーラス層(MPL)形成用スラリーを、ダイコータによって塗工し、乾燥の後に焼成することで、拡散層基材層にマイクロポーラス層(MPL)が積層されたガス拡散層を作製した。
(Fabrication of cathode-side gas diffusion layer)
Five sheets of carbon paper were prepared as diffusion layer substrates. A slurry for forming a microporous layer (MPL) containing cerium oxide (CeO 2 ), carbon particles, and polytetrafluoroethylene (PTFE) is applied to the surface of each carbon paper by a die coater, dried and then baked. By doing so, a gas diffusion layer in which a microporous layer (MPL) was laminated on the diffusion layer substrate layer was produced.

このとき、形成されるマイクロポーラス層(MPL)の厚みを互いに異ならせて、カソード側マイクロポーラス層の厚み(D4)が異なる5種類のカソード側ガス拡散層を作製した。 At this time, by varying the thickness of the formed microporous layer (MPL), five kinds of cathode-side gas diffusion layers having different cathode-side microporous layer thicknesses (D4) were produced.

(積層体の作製)
上記で得られたカソード側ガス拡散層及びアノード側ガス拡散層を用いて、アノード側ガス拡散層/アノード側触媒層/電解質膜/カソード側触媒層/カソード側ガス拡散層が、この順に積層された積層体を構成し、一対のセパレータで挟み込むことで、アノード側マイクロポーラス層の厚み(D2)及びカソード側マイクロポーラス層の厚み(D4)が互いに異なる、5種類の燃料電池を作製した。
(Preparation of laminate)
Using the cathode-side gas diffusion layer and the anode-side gas diffusion layer obtained above, the anode-side gas diffusion layer/anode-side catalyst layer/electrolyte membrane/cathode-side catalyst layer/cathode-side gas diffusion layer are laminated in this order. By constructing a stacked body and sandwiching it between a pair of separators, five types of fuel cells having different thicknesses (D2) of the anode-side microporous layer and (D4) of the cathode-side microporous layer were produced.

なお、アノード側触媒層及びカソード側触媒層には、それぞれに隣接するガス拡散層のマイクロポーラス層(MPL)が面するように配置した。 The anode-side catalyst layer and the cathode-side catalyst layer were arranged so that the microporous layers (MPL) of the adjacent gas diffusion layers faced each other.

<電池の評価>
上記の実験例1と同様の方法で、作製した5種類の燃料電池について、初期出力と、温度変化耐久後出力とを評価した。
<Battery evaluation>
In the same manner as in Experimental Example 1, the initial output and the output after temperature change endurance were evaluated for the five types of fuel cells produced.

<評価結果>
図3は、アノード側のマイクロポーラス層(MPL)の厚みに対する拡散層基材層の厚みの比に対する、カソード側のマイクロポーラス層(MPL)の厚みに対する拡散層基材層の厚みの比の比と、初期出力に対する温度変化耐久後出力の比との関係を示す図である。
<Evaluation results>
FIG. 3 shows the ratio of the thickness of the diffusion layer substrate layer to the thickness of the microporous layer (MPL) on the cathode side to the ratio of the thickness of the diffusion layer substrate layer to the thickness of the microporous layer (MPL) on the anode side. and the ratio of output after temperature change endurance to initial output.

グラフの横軸は、アノード側のマイクロポーラス層(MPL)の厚み(D2)に対する拡散層基材層の厚み(D1)の比に対する、カソード側のマイクロポーラス層(MPL)の厚み(D4)に対する拡散層基材層の厚み(D3)の比の比であり、グラフの縦軸は、得られた燃料電池の初期出力に対する温度変化耐久後出力の比を示す。 The horizontal axis of the graph is the ratio of the thickness (D1) of the diffusion layer substrate layer to the thickness (D2) of the microporous layer (MPL) on the anode side versus the thickness (D4) of the microporous layer (MPL) on the cathode side. It is the ratio of the thickness (D3) of the diffusion layer substrate layer, and the vertical axis of the graph indicates the ratio of the output after temperature change endurance to the initial output of the obtained fuel cell.

なお、グラフの縦軸は、アノード側のマイクロポーラス層(MPL)の厚み(D2)に対する拡散層基材層の厚み(D1)の比に対する、カソード側のマイクロポーラス層(MPL)の厚み(D4)に対する拡散層基材層の厚み(D3)の比の比が、0.5の場合を基準とした、相対値とした。 The vertical axis of the graph represents the thickness (D4 ) to the thickness (D3) of the diffusion layer base material layer is set as a relative value based on the case where the ratio is 0.5.

図3より、アノード側のマイクロポーラス層(MPL)の厚み(D2)に対する拡散層基材層の厚み(D1)の比に対する、カソード側のマイクロポーラス層(MPL)の厚み(D4)に対する拡散層基材層の厚み(D3)の比の比が1より大きい範囲であれば、すなわち、カソード側のマイクロポーラス層(MPL)の厚み(D4)に対する拡散層基材層の厚み(D3)の比が、アノード側のマイクロポーラス層(MPL)の厚み(D2)に対する拡散層基材層の厚み(D1)の比よりも大きい範囲であれば、初期出力に対する温度変化耐久後出力の比が高い。したがって、ガス拡散層のマイクロポーラス層(MPL)に、セリウム含有化合物を含む燃料電池であっても、耐久後の出力性能が確保できていることが判る。 From FIG. 3, the ratio of the thickness (D1) of the diffusion layer base layer to the thickness (D2) of the microporous layer (MPL) on the anode side is compared to the thickness (D4) of the microporous layer (MPL) on the cathode side. If the ratio of the thickness (D3) of the substrate layer is greater than 1, that is, the ratio of the thickness (D3) of the diffusion layer substrate layer to the thickness (D4) of the microporous layer (MPL) on the cathode side is larger than the ratio of the thickness (D1) of the diffusion layer base layer to the thickness (D2) of the microporous layer (MPL) on the anode side, the ratio of the output after temperature change endurance to the initial output is high. Therefore, it can be seen that the output performance after endurance can be ensured even in a fuel cell containing a cerium-containing compound in the microporous layer (MPL) of the gas diffusion layer.

100 積層体
10 アノード側ガス拡散層
11 アノード側拡散層基材層
12 アノード側マイクロポーラス層
15 アノード側触媒層
20 カソード側ガス拡散層
21 カソード側拡散層基材層
22 カソード側マイクロポーラス層
25 カソード側触媒層
30 電解質膜
REFERENCE SIGNS LIST 100 laminate 10 anode-side gas diffusion layer 11 anode-side diffusion layer substrate layer 12 anode-side microporous layer 15 anode-side catalyst layer 20 cathode-side gas diffusion layer 21 cathode-side diffusion layer substrate layer 22 cathode-side microporous layer 25 cathode Side catalyst layer 30 Electrolyte membrane

Claims (1)

アノード側ガス拡散層、電解質膜、カソード側ガス拡散層が、この順に積層されているる燃料電池用の積層体であって、
前記アノード側ガス拡散層は、前記電解質膜側から、アノード側マイクロポーラス層、及びアノード側拡散層基材層が、この順に積層されており、
前記カソード側ガス拡散層は、前記電解質膜側から、カソード側マイクロポーラス層、及びカソード側拡散層基材層が、この順に積層されており、
前記アノード側マイクロポーラス層及び前記カソード側マイクロポーラス層は、セリウム含有化合物を含み、
前記アノード側拡散層基材層の厚みをD1、前記アノード側マイクロポーラス層の厚みをD2、前記カソード側拡散層基材層の厚みをD3、前記カソード側マイクロポーラス層の厚みをD4、としたときに、下記式(1)、下記式(2)、及び下記式(3)を満足する、
燃料電池用の積層体。
D1/D2<D3/D4 ・・・(1)
D1/D2>3.0 ・・・(2)
D3/D4>3.0 ・・・(3)
A laminate for a fuel cell in which an anode-side gas diffusion layer, an electrolyte membrane, and a cathode-side gas diffusion layer are laminated in this order,
The anode-side gas diffusion layer comprises an anode-side microporous layer and an anode-side diffusion layer substrate layer laminated in this order from the electrolyte membrane side,
In the cathode-side gas diffusion layer, a cathode-side microporous layer and a cathode-side diffusion layer base layer are laminated in this order from the electrolyte membrane side,
the anode-side microporous layer and the cathode-side microporous layer comprise a cerium-containing compound;
D1 is the thickness of the anode-side diffusion layer substrate layer, D2 is the thickness of the anode-side microporous layer, D3 is the thickness of the cathode-side diffusion layer substrate layer, and D4 is the thickness of the cathode-side microporous layer. sometimes satisfying the following formulas (1), (2), and (3) below,
Laminates for fuel cells.
D1/D2<D3/D4 (1)
D1/D2>3.0 (2)
D3/D4>3.0 (3)
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Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2005106994A1 (en) 2004-04-28 2005-11-10 Nissan Motor Co., Ltd. Membrane-electrode assembly for fuel cell and fuel cell using same
WO2010126063A1 (en) 2009-05-01 2010-11-04 日産自動車株式会社 Gas diffusion layer for fuel cell
JP2015195111A (en) 2014-03-31 2015-11-05 東レ株式会社 Gas diffusion layer and method of manufacturing the same
JP2018090584A (en) 2016-12-02 2018-06-14 エボニック デグサ ゲーエムベーハーEvonik Degussa GmbH CATALYTIC OXIDATION OF 3,5,5-TRIMETHYLCYCLOHEXA-3-ENE-1-ONE (β-ISOPHORONE) WITH HYDROGEN PEROXIDE TO AFFORD 2,6,6-TRIMETHYL-2-CYCLOHEXENE-1,4-DIONE (KETO-ISOPHORONE)
JP2018104256A (en) 2016-12-28 2018-07-05 昭和電工株式会社 Ceria, microporous layer, and polymer electrolyte fuel cell
JP2018152270A (en) 2017-03-14 2018-09-27 アイシン化工株式会社 Gas diffusion layer for fuel cell and manufacturing method of the same

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2005106994A1 (en) 2004-04-28 2005-11-10 Nissan Motor Co., Ltd. Membrane-electrode assembly for fuel cell and fuel cell using same
WO2010126063A1 (en) 2009-05-01 2010-11-04 日産自動車株式会社 Gas diffusion layer for fuel cell
JP2015195111A (en) 2014-03-31 2015-11-05 東レ株式会社 Gas diffusion layer and method of manufacturing the same
JP2018090584A (en) 2016-12-02 2018-06-14 エボニック デグサ ゲーエムベーハーEvonik Degussa GmbH CATALYTIC OXIDATION OF 3,5,5-TRIMETHYLCYCLOHEXA-3-ENE-1-ONE (β-ISOPHORONE) WITH HYDROGEN PEROXIDE TO AFFORD 2,6,6-TRIMETHYL-2-CYCLOHEXENE-1,4-DIONE (KETO-ISOPHORONE)
JP2018104256A (en) 2016-12-28 2018-07-05 昭和電工株式会社 Ceria, microporous layer, and polymer electrolyte fuel cell
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