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JP2007165025A - Membrane electrode assembly - Google Patents

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JP2007165025A
JP2007165025A JP2005356983A JP2005356983A JP2007165025A JP 2007165025 A JP2007165025 A JP 2007165025A JP 2005356983 A JP2005356983 A JP 2005356983A JP 2005356983 A JP2005356983 A JP 2005356983A JP 2007165025 A JP2007165025 A JP 2007165025A
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JP
Japan
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layer
water
gas diffusion
thermal conductivity
electrode catalyst
Prior art date
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Pending
Application number
JP2005356983A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Norihisa Waki
憲尚 脇
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Nissan Motor Co Ltd
Original Assignee
Nissan Motor Co Ltd
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Publication date
Application filed by Nissan Motor Co Ltd filed Critical Nissan Motor Co Ltd
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  • Fuel Cell (AREA)
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Abstract

【課題】本発明ではガス拡散層に熱伝導性の高い材料を使用することでガス拡散層と電極触媒層との温度差を少なくし、ガス拡散層において水が凝縮することを抑制・防止する膜電極接合体を提供する。
【解決手段】電解質膜と、前記電解質膜を挟持する1対の電極触媒層と、前記1対の電極触媒層を挟持する1対のガス拡散層と、を有する膜電極接合体において
前記ガス拡散層は、撥水性を有する材料と熱伝導性を有する材料とを含む撥水層と、ガス拡散基材からなり、かつ前記撥水層は前記電極触媒層と前記ガス拡散基材との間に配置されることを特徴とする膜電極接合体である。
【選択図】なし
The present invention reduces the temperature difference between a gas diffusion layer and an electrode catalyst layer by using a material having high thermal conductivity for the gas diffusion layer, and suppresses / prevents water from condensing in the gas diffusion layer. A membrane electrode assembly is provided.
In the membrane electrode assembly, comprising: an electrolyte membrane; a pair of electrode catalyst layers that sandwich the electrolyte membrane; and a pair of gas diffusion layers that sandwich the pair of electrode catalyst layers. The layer includes a water repellent layer including a water repellent material and a heat conductive material, and a gas diffusion base, and the water repellent layer is interposed between the electrode catalyst layer and the gas diffusion base. It is a membrane electrode assembly characterized by being arranged.
[Selection figure] None

Description

本発明は、膜電極接合体、特に燃料電池用の膜電極接合体に関し、より詳細には熱伝導性に優れる膜電極接合体、特に燃料電池用の電解質膜に関する。   The present invention relates to a membrane electrode assembly, particularly a membrane electrode assembly for a fuel cell, and more particularly to a membrane electrode assembly excellent in thermal conductivity, particularly an electrolyte membrane for a fuel cell.

現在、化石燃料の枯渇時代に入り、一方では地球温暖化問題は深刻さを増している。こうした中、新しいエネルギー源としては水素が最も有望であるが、水素はそのままではエネルギーに変換できないため、水素を媒介する新しいシステムの変革が必要である。その代表格として燃料電池が存在する。燃料電池は、一般的にリン酸型燃料電池(PAFC)、アルカリ型燃料電池(AFC)、固体高分子型燃料電池(PEFC)などがあり、なかでも固体高分子型燃料電池(PEFC)は、常温で起動でき、電解質の散逸の問題が少なく、高電流密度などの利点を有する。PEFCでは、膜の加湿とともにカソードで生成する水および膜内を移動する水を含めた総合的な水管理が、電池性能および寿命にとって極めて重要になってくる。   Currently, we are entering a period of exhaustion of fossil fuels, while the issue of global warming is becoming more serious. Under such circumstances, hydrogen is the most promising new energy source. However, since hydrogen cannot be converted into energy as it is, a new system for mediating hydrogen is required. A typical example is a fuel cell. Fuel cells generally include phosphoric acid fuel cells (PAFC), alkaline fuel cells (AFC), polymer electrolyte fuel cells (PEFC), etc. Among them, polymer electrolyte fuel cells (PEFC) It can be started at room temperature, has few problems of electrolyte dissipation, and has advantages such as high current density. In PEFC, comprehensive water management, including water generated at the cathode and water moving through the membrane as the membrane is humidified, becomes extremely important for battery performance and lifetime.

何故なら、一般に燃料電池は、燃料極(アノード極)に水素、酸化剤極(カソード極)に空気または酸素を利用し、カソード極で水が生成される。液水の生成しやすい高加湿および高電流密度運転においては、カソードの生成水が電極層にたまり、その生成水に阻害されて反応物が電極に十分に供給されず、電池出力が低下(フラッディング現象)したりするからである。そのため、燃料電池の高出力化のためには、電極触媒層からの水の排出が必要である。   This is because a fuel cell generally uses hydrogen for the fuel electrode (anode electrode) and air or oxygen for the oxidant electrode (cathode electrode), and water is generated at the cathode electrode. In high humidification and high current density operation where liquid water is likely to be generated, the generated water of the cathode accumulates in the electrode layer, and is blocked by the generated water, so that the reactant is not sufficiently supplied to the electrode and the battery output decreases (flooding) Phenomenon). Therefore, in order to increase the output of the fuel cell, it is necessary to discharge water from the electrode catalyst layer.

一般的に、排水性を向上させるために、特許文献1では、疎水性の高分子材料を付加したガス拡散基材上に、さらなる撥水効果をもたせるためにカーボン撥水層を設ける手法がとられている。また、特許文献2では、ガス拡散基材に撥水処理と親水処理を施し、水排出のコントロールをする。   In general, in order to improve drainage, Patent Document 1 discloses a method in which a carbon water-repellent layer is provided on a gas diffusion substrate to which a hydrophobic polymer material is added in order to provide a further water-repellent effect. It has been. Further, in Patent Document 2, water repellent treatment and hydrophilic treatment are performed on the gas diffusion base material to control water discharge.

しかし、特許文献1では排水性は向上するが、ガス拡散層などにおける水蒸気の凝縮により生ずる水を効果的に排水することができず、結果的にはフラッディング現象を抑制・防止することが困難である。   However, although the drainage performance is improved in Patent Document 1, water generated by condensation of water vapor in the gas diffusion layer cannot be effectively drained, and as a result, it is difficult to suppress and prevent the flooding phenomenon. is there.

また、特許文献2では、生成水は優先的に親水部に溜まり、電極からの排水は向上するが、常にその部位には水が存在することになり、一旦、水が溜まると、拡散層内のガスの通路がふさがれ、有効ガス流路面積が小さくなり、ガスが電極に十分に供給されないという問題があった。
特開2003−89968号公報 特表2002−313200号公報
Further, in Patent Document 2, generated water is preferentially collected in the hydrophilic portion and drainage from the electrode is improved. However, water always exists in the portion, and once the water is accumulated, The gas passage is blocked, the effective gas passage area is reduced, and the gas is not sufficiently supplied to the electrodes.
JP 2003-89968 A Special table 2002-313200 gazette

そこで、本発明ではガス拡散層に熱伝導性の高い材料を使用することでガス拡散層と電極触媒層との温度差をなくし、ガス拡散層において水が凝縮することを抑制・防止する手段を提供することを目的とする。   Therefore, in the present invention, there is provided a means for suppressing or preventing water condensation in the gas diffusion layer by eliminating the temperature difference between the gas diffusion layer and the electrode catalyst layer by using a material having high thermal conductivity for the gas diffusion layer. The purpose is to provide.

上記目的を達成するため、本発明者が鋭意研究を積み重ねた結果、電解質膜と、前記電解質膜を挟持する1対の電極触媒層と、前記1対の電極触媒層を挟持する1対のガス拡散層と、を有する膜電極接合体において
前記ガス拡散層は、撥水性を有する材料と熱伝導性を有する材料とを含む撥水層と、ガス拡散基材からなり、かつ前記撥水層は前記電極触媒層と前記ガス拡散基材との間に配置されることを特徴とする膜電極接合体が上記目的を達成することを見出し、本発明を完成するに至った。
In order to achieve the above object, as a result of intensive research conducted by the present inventors, an electrolyte membrane, a pair of electrode catalyst layers that sandwich the electrolyte membrane, and a pair of gases that sandwich the pair of electrode catalyst layers In the membrane electrode assembly having a diffusion layer, the gas diffusion layer comprises a water repellent layer containing a water repellent material and a heat conductive material, a gas diffusion base material, and the water repellent layer comprises: It has been found that a membrane / electrode assembly, which is disposed between the electrode catalyst layer and the gas diffusion base material, achieves the above object, and has completed the present invention.

電極触媒層で熱を発生する燃料電池において、電極触媒層からガス流路にかけて、必ず温度勾配が生ずる。本発明によれば、ガス拡散層中の温度に関して、ガス拡散層は熱導電性の高いカーボン粒子で構成されているため、ガス拡散層中での温度低下が小さい。その結果、従来のガス拡散層に比べて、同じ電流密度に対して、ガス拡散層中が高温になり、相対湿度が高くなり、水蒸気が凝縮しにくくなり、液水によりガス流路を防ぐことを抑制・防止することが可能になる。   In a fuel cell that generates heat in the electrode catalyst layer, a temperature gradient always occurs from the electrode catalyst layer to the gas flow path. According to the present invention, regarding the temperature in the gas diffusion layer, since the gas diffusion layer is composed of carbon particles having high thermal conductivity, the temperature drop in the gas diffusion layer is small. As a result, compared with the conventional gas diffusion layer, for the same current density, the gas diffusion layer becomes hot, the relative humidity becomes high, the water vapor is difficult to condense, and the liquid flow prevents the gas flow path. Can be suppressed / prevented.

本発明の第1は、電解質膜と、前記電解質膜を挟持する1対の電極触媒層と、前記1対の電極触媒層を挟持する1対のガス拡散層と、を有する膜電極接合体において前記ガス拡散層は、撥水性を有する材料と熱伝導性を有する材料とを含む撥水層と、ガス拡散基材からなり、前記電極触媒層との間に配置される膜電極接合体である。   A first aspect of the present invention is a membrane electrode assembly comprising an electrolyte membrane, a pair of electrode catalyst layers that sandwich the electrolyte membrane, and a pair of gas diffusion layers that sandwich the pair of electrode catalyst layers. The gas diffusion layer is a membrane electrode assembly that is formed between a water repellent layer containing a water repellent material and a heat conductive material, and a gas diffusion base material and disposed between the electrode catalyst layer. .

図2に本発明の実施形態であるカソード極(酸化剤極)側の構成を示す。固体高分子電解質膜1の両側に図示しないアノード極(燃料極)およびカソード極(酸化剤極)2が対設され、カソード極(酸化剤極)2側に、ガス拡散基材4に撥水層3を付与したガス拡散層5を備えた構成となっている。なお、この図はカソード極(酸化剤極)側を断面方向から見たものである。   FIG. 2 shows a configuration on the cathode electrode (oxidant electrode) side according to the embodiment of the present invention. An anode electrode (fuel electrode) and a cathode electrode (oxidant electrode) 2 (not shown) are provided on both sides of the solid polymer electrolyte membrane 1, and the gas diffusion base material 4 is water repellent on the cathode electrode (oxidant electrode) 2 side. The gas diffusion layer 5 provided with the layer 3 is provided. In this figure, the cathode (oxidant electrode) side is viewed from the cross-sectional direction.

ガス拡散層は、撥水性を有する材料と熱伝導性を有する材料とを含む撥水層と、ガス拡散基材を有し、さらに熱伝導性の高い撥水層が電極触媒層と接するように配置されているため、撥水層中での温度低下を小さくすることができる。そのため、撥水層で水の凝縮を防止するだけではなく、撥水層においても水の蒸発を促すこともできるため、相対湿度(以下R.H.と称する。)を維持することができる。   The gas diffusion layer has a water repellent layer containing a water repellent material and a heat conductive material, a gas diffusion base material, and a water repellent layer having a high heat conductivity is in contact with the electrode catalyst layer. Since it is disposed, the temperature drop in the water repellent layer can be reduced. Therefore, not only the water repellent layer prevents condensation of water, but also water evaporation can be promoted in the water repellent layer, so that the relative humidity (hereinafter referred to as RH) can be maintained.

図1に触媒層およびガス拡散層の温度分布の概念図を示す。フラッディング現象は、生成水および凝縮した水蒸気による触媒層およびガス拡散層での水つまりによる反応ガスの輸送阻害だと考えられており、R.H.は重要なファクターである。   FIG. 1 shows a conceptual diagram of the temperature distribution of the catalyst layer and the gas diffusion layer. The flooding phenomenon is considered to be the inhibition of the transport of reaction gas due to water clogging in the catalyst layer and the gas diffusion layer due to produced water and condensed water vapor. H. Is an important factor.

つまり、電極触媒層で生じた反応熱がガス拡散層外部に伝熱される際に、撥水層の熱伝導性が低いと、撥水層で急激な温度低下が生じ、電極触媒層付近の温度が高く、ガス拡散基材付近の温度が低くなる。その結果、温度の低い部位では水が凝縮しやすくため、低温度部位で局所的に凝縮した水の量が増大し、多孔質体の孔を塞ぎフラッディング現象を引き起こす。これに対して、本発明は、熱伝導率の高い材料を撥水層に用いているため、撥水層は電極触媒層の温度とほぼ同じ温度に保たれ、R.H.の急激な増加を抑制し、局所的に水が凝縮する現象を防ぐ。そのため撥水層でのフラッディング現象を抑制できると考えられる。なお、本発明によるメカニズムは上記によって限定されるものではない。   That is, when reaction heat generated in the electrode catalyst layer is transferred to the outside of the gas diffusion layer, if the water repellent layer has low thermal conductivity, a rapid temperature drop occurs in the water repellent layer, and the temperature near the electrode catalyst layer Is high, and the temperature in the vicinity of the gas diffusion base material is low. As a result, the water is likely to condense at the low-temperature site, and the amount of water locally condensed at the low-temperature site increases, thereby closing the pores of the porous body and causing a flooding phenomenon. In contrast, in the present invention, since a material having high thermal conductivity is used for the water repellent layer, the water repellent layer is maintained at substantially the same temperature as the electrode catalyst layer. H. This suppresses the rapid increase in water and prevents the phenomenon of local water condensation. Therefore, it is considered that the flooding phenomenon in the water repellent layer can be suppressed. The mechanism according to the present invention is not limited to the above.

一般的に熱伝導に関する式は、以下のフーリエの式がある。   In general, a formula related to heat conduction includes the following Fourier formula.

Figure 2007165025
Figure 2007165025

(式中、Q:通過する熱量[W]、λ:熱伝導率[W/m・K]、A:撥水層の断面積[m]、dT/dr:温度勾配[K/m])
例えば、1A/cmでの運転における反応熱が37W、断面積が25cm、電極触媒層の温度が70℃、撥水層の厚さ50μm、従来の撥水層の熱伝導率が0.1W/m・Kの場合、撥水層のガス拡散基材側の端面および電極触媒層側の端面で約7℃の温度差が生ずる。これは、電極触媒層の温度70℃に対して、R.H.70%の反応ガスを導入した場合、撥水層で水蒸気が凝縮することに相当する。これに対して、熱伝導性の比較的に高い材料、具体的には、0.2W/m・K程度以上の材料を撥水層に用いれば、撥水層での温度低下は小さくなり、水蒸気の凝縮は抑制される。
(In the formula, Q: amount of heat passing through [W], λ: thermal conductivity [W / m · K], A: cross-sectional area of water-repellent layer [m 2 ], dT / dr: temperature gradient [K / m] )
For example, the reaction heat in operation at 1 A / cm 2 is 37 W, the cross-sectional area is 25 cm 2 , the temperature of the electrode catalyst layer is 70 ° C., the thickness of the water-repellent layer is 50 μm, and the thermal conductivity of the conventional water-repellent layer is 0.1. In the case of 1 W / m · K, a temperature difference of about 7 ° C. occurs between the end surface on the gas diffusion substrate side of the water repellent layer and the end surface on the electrode catalyst layer side. This is because the temperature of the electrode catalyst layer is 70 ° C. H. When 70% of the reaction gas is introduced, this corresponds to the condensation of water vapor in the water repellent layer. On the other hand, if a material having a relatively high thermal conductivity, specifically, a material of about 0.2 W / m · K or more is used for the water repellent layer, the temperature drop in the water repellent layer is reduced, Water vapor condensation is suppressed.

熱伝導を有する材料の熱伝導率は、0.2〜100(W/m・K)が好ましく、0.5〜10(W/m・K)がより好ましく、1〜5(W/m・K)がさらに好ましい。熱伝導を有する材料の熱伝導率が、0.2(W/m・K)未満だと、撥水層中での温度低下が大きくなり、水蒸気が凝縮しやすくフラッディング現象が起こりやすくなるおそれがある。また100(W/m・K)超だと、カーボンの疎水性が強くなり、親水性になりにくく、水を触媒層から引き寄せにくくなり、フラッディング現象が起こりやすくなるおそれがある。   The thermal conductivity of the material having thermal conductivity is preferably 0.2 to 100 (W / m · K), more preferably 0.5 to 10 (W / m · K), and 1 to 5 (W / m · K). More preferred is K). If the thermal conductivity of the material having thermal conductivity is less than 0.2 (W / m · K), the temperature drop in the water-repellent layer becomes large, and the water vapor tends to condense and the flooding phenomenon is likely to occur. is there. On the other hand, if it exceeds 100 (W / m · K), the hydrophobicity of the carbon becomes strong, it becomes difficult to become hydrophilic, it becomes difficult to draw water from the catalyst layer, and the flooding phenomenon may occur easily.

なお、熱伝導性を有する材料の熱伝導率が、0.2〜100(W/m・K)の範囲のものに用いた場合、撥水層中での温度低下(電極触媒層に接した端部とガス拡散基材に接した端部との温度差であり、撥水層中で徐々に温度低下し、0.2W/mKでは4℃低下、100W/mKでは0.1℃低下する。)は0.1〜4℃となり、熱伝導を有する材料の熱伝導率が、0.5〜10(W/m・K)の範囲のものに用いた場合、撥水層中での温度低下(電極触媒層に接した端部とガス拡散基材に接した端部との温度差であり、撥水層中で徐々に温度低下し、0.5W/mKでは1.5℃低下、10W/mKでは0.1℃低下する。)は0.15〜1.5℃となり、熱伝導を有する材料の熱伝導率が、1〜5(W/m・K)の範囲のものに用いた場合、撥水層中での温度低下(電極触媒層に接した端部とガス拡散基材に接した端部との温度差であり、撥水層中で徐々に温度低下し、1W/mKでは1℃低下、5W/mKでは0.2℃低下する。)は0.2〜1℃となる。   When the thermal conductivity of the material having thermal conductivity is in the range of 0.2 to 100 (W / m · K), the temperature drop in the water-repellent layer (in contact with the electrode catalyst layer) This is the temperature difference between the end and the end in contact with the gas diffusion base material. The temperature gradually decreases in the water-repellent layer and decreases by 4 ° C. at 0.2 W / mK and by 0.1 ° C. at 100 W / mK. .) Is 0.1 to 4 ° C., and when the thermal conductivity of the material having thermal conductivity is in the range of 0.5 to 10 (W / m · K), the temperature in the water repellent layer Decrease (temperature difference between the end in contact with the electrode catalyst layer and the end in contact with the gas diffusion base material, the temperature gradually decreases in the water-repellent layer, and decreases by 1.5 ° C. at 0.5 W / mK, 10 W / mK, it is 0.1 ° C.) becomes 0.15 to 1.5 ° C., and the material having thermal conductivity has a thermal conductivity in the range of 1 to 5 (W / m · K). Was Temperature drop in the water repellent layer (this is the temperature difference between the end in contact with the electrode catalyst layer and the end in contact with the gas diffusion substrate. The temperature gradually decreases in the water repellent layer, and 1 W / mK Is 1 ° C., 5 W / mK is 0.2 ° C.) is 0.2 to 1 ° C.

本発明におけるガス拡散層の厚さは、100〜400μmが好ましく、150〜350μmがより好ましく、200〜300μmが最も好ましい。撥水層の厚さは10〜100μmが好ましく、30〜80μmがより好ましい。ガス拡散基材は、100〜300μmが好ましく、150〜200μmがより好ましい。撥水層の厚さが、10μm未満であると、充分な排水性能を有さず、100μm超であると、充分なガス拡散性が得られない。   The thickness of the gas diffusion layer in the present invention is preferably 100 to 400 μm, more preferably 150 to 350 μm, and most preferably 200 to 300 μm. 10-100 micrometers is preferable and, as for the thickness of a water repellent layer, 30-80 micrometers is more preferable. 100-300 micrometers is preferable and, as for a gas diffusion base material, 150-200 micrometers is more preferable. When the thickness of the water repellent layer is less than 10 μm, sufficient drainage performance is not obtained, and when it exceeds 100 μm, sufficient gas diffusibility cannot be obtained.

また、撥水層の空孔率は50〜90%が好ましく、60〜80%がより好ましい。空孔率が50%未満であると、充分な拡散性が得られない。90%超であると、十分な強度が得られない。   Further, the porosity of the water repellent layer is preferably 50 to 90%, more preferably 60 to 80%. If the porosity is less than 50%, sufficient diffusibility cannot be obtained. If it exceeds 90%, sufficient strength cannot be obtained.

本発明に係る熱伝導性を有する材料は、公知のものを使用することができるが、グラファイト化カーボンであることが好ましく、その例としてはカーボンブラック(オイルファーネスブラック、アセチレンブラック等、一般的なカーボンブラック)を3000℃程度で不活性ガス中、熱処理することにより調製されるグラファイト化カーボンブラック、気相成長炭素繊維、VGCF、グラファイト化ケッチェンブラック(電気化学工業(株)製)などを挙げることができる。   As the material having thermal conductivity according to the present invention, known materials can be used, but graphitized carbon is preferable, and examples thereof include carbon black (oil furnace black, acetylene black and the like). Graphitized carbon black, vapor-grown carbon fiber, VGCF, graphitized ketjen black (manufactured by Denki Kagaku Kogyo Co., Ltd.) prepared by heat treating carbon black) in an inert gas at about 3000 ° C. be able to.

前記熱伝導性の高い材料がグラファイト化カーボンである場合、前記グラファイト化カーボンは熱伝導率が高く(λ=5W/m・K)、(数式1)式によれば、温度の低下は約0.2℃となり、よりフラッディング現象を抑制できる。   When the material having high thermal conductivity is graphitized carbon, the graphitized carbon has high thermal conductivity (λ = 5 W / m · K), and according to the formula (1), the temperature decrease is about 0. .2 ° C., which can further suppress the flooding phenomenon.

本明細書における「グラファイト化」の構造とは、平面状に炭素が6角形状につながり、それが積層されたものをいう。したがって、本発明に係る熱伝導性を有する材料は、上記の例示だけではなく「グラファイト化」の構造を有するカーボンであれば本発明の目的を達成することができる。   The “graphitized” structure in this specification refers to a structure in which carbon is connected in a hexagonal shape in a planar shape and laminated. Therefore, the object of the present invention can be achieved as long as the material having thermal conductivity according to the present invention is not only the above-mentioned examples but also carbon having a “graphitized” structure.

また、本発明に係る前記グラファイト化カーボンは、撥水層全体の質量に対して、5〜50質量%の割合で撥水層中に含まれることが好ましく、10質量%〜40質量%がより好ましく、20質量%〜30質量%がさらに好ましい。5質量%未満だと、充分な熱伝導性が得られず、50質量%超だと、疎水性が大きくなり、液水を触媒層から誘導しにくくなる。   The graphitized carbon according to the present invention is preferably contained in the water-repellent layer at a ratio of 5 to 50% by mass with respect to the mass of the entire water-repellent layer, and more preferably 10 to 40% by mass. Preferably, 20% by mass to 30% by mass is more preferable. If it is less than 5% by mass, sufficient thermal conductivity cannot be obtained, and if it exceeds 50% by mass, the hydrophobicity becomes large and it becomes difficult to induce liquid water from the catalyst layer.

また本発明は、ガス拡散基材の少なくとも片面に、撥水性を有する材料および熱伝導性を有する材料を含む撥水層を設けてなるガス拡散層を提供する。   The present invention also provides a gas diffusion layer in which a water repellent layer containing a water repellent material and a heat conductive material is provided on at least one surface of a gas diffusion substrate.

カソード側では、アノード側で生成されたプロトンが水を伴って移動し、更に、酸素および移動してきたプロトンの反応により水が生成されるため、カソード側電極では大量の水が存在している。このため、本発明に係るガス拡散層はアノードおよびカソードのいずれの側または双方の側に配置されてもよいが、好ましくは少なくともカソード側に配置される。   On the cathode side, protons generated on the anode side move with water, and further, water is generated by the reaction of oxygen and the transferred protons. Therefore, a large amount of water exists on the cathode side electrode. For this reason, the gas diffusion layer according to the present invention may be disposed on either or both sides of the anode and the cathode, but is preferably disposed at least on the cathode side.

本発明に係る撥水性を有する材料としては、公知のものを使用することができるが、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、ポリヘキサフルオロプロピレン、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体(FEP)などのフッ素系樹脂、ポリプロピレン、ポリエチレンなどが例として挙げられ、これらのうち、撥水性、電極反応時の耐食性などに優れることから、PTFEがより好ましく使用される。   As the material having water repellency according to the present invention, known materials can be used. Polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylidene fluoride (PVDF), polyhexafluoropropylene, tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene Examples include fluororesins such as copolymers (FEP), polypropylene, polyethylene, and the like. Among these, PTFE is more preferably used because of its excellent water repellency and corrosion resistance during electrode reaction.

本発明に係るガス拡散基材に用いられる材料としては、カーボンペーパ、不織布、炭素製の織物、紙状抄紙体、フェルトなどからなるシート状材料が挙げられる。ガス拡散基材が優れた電子伝導性を有していると、発電反応により生じた電子の効率的な運搬が達成され、燃料電池の性能が向上する。またガス拡散基材が優れた撥水性を有していると、生成した水が効率的に排出される。   Examples of the material used for the gas diffusion base material according to the present invention include a sheet-like material made of carbon paper, non-woven fabric, carbon woven fabric, paper-like paper body, felt or the like. When the gas diffusion base material has excellent electron conductivity, efficient transport of electrons generated by the power generation reaction is achieved, and the performance of the fuel cell is improved. If the gas diffusion base material has excellent water repellency, the generated water is efficiently discharged.

尚、高い撥水性を確保するために、ガス拡散基材を構成する材料を撥水処理する技術も提案されている。例えば、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)などのフッ素系樹脂を含む溶液中にカーボンペーパなどのガス拡散基材を構成する材料を含浸させ、大気中または窒素などの不活性ガス中で乾燥させる。場合によっては、親水化処理がガス拡散基材を構成する材料に施されてもよい。   In addition, in order to ensure high water repellency, a technique for water repellency treatment of a material constituting the gas diffusion base material has also been proposed. For example, a solution containing a fluorine-based resin such as polytetrafluoroethylene (PTFE) is impregnated with a material constituting a gas diffusion base material such as carbon paper and dried in the air or an inert gas such as nitrogen. In some cases, a hydrophilic treatment may be performed on the material constituting the gas diffusion base material.

本発明において用いられる高分子電解質膜は、特に限定されず公知のものを用いることができるが、その例としては電極触媒層に用いられたものと同様の材料が挙げられ、少なくとも高いプロトン伝導性を有する材料であればよい。この際高分子電解質は、高分子骨格の全部又は一部にフッ素原子を含むフッ素系電解質と、高分子骨格にフッ素原子を含まない炭化水素系電解質とに大別される。   The polymer electrolyte membrane used in the present invention is not particularly limited and a known one can be used. Examples thereof include the same materials as those used for the electrode catalyst layer, and at least high proton conductivity. Any material that has In this case, the polymer electrolyte is roughly classified into a fluorine-based electrolyte containing a fluorine atom in the whole or a part of the polymer skeleton and a hydrocarbon electrolyte not containing a fluorine atom in the polymer skeleton.

前記フッ素系電解質として、具体的には、ナフィオン(登録商標、デュポン社製)、アシプレックス(登録商標、旭化成株式会社製)、フレミオン(登録商標、旭硝子株式会社製)等のパーフルオロカーボンスルホン酸系高分子、ポリトリフルオロスチレンスルフォン酸系高分子、パーフルオロカーボンホスホン酸系高分子、トリフルオロスチレンスルホン酸系高分子、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高分子、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高分子などが好適な例として挙げられる。   Specific examples of the fluorine electrolyte include perfluorocarbon sulfonic acids such as Nafion (registered trademark, manufactured by DuPont), Aciplex (registered trademark, manufactured by Asahi Kasei Co., Ltd.), and Flemion (registered trademark, manufactured by Asahi Glass Co., Ltd.). Polymer, polytrifluorostyrene sulfonic acid polymer, perfluorocarbon phosphonic acid polymer, trifluorostyrene sulfonic acid polymer, ethylene tetrafluoroethylene-g-styrene sulfonic acid polymer, ethylene-tetrafluoroethylene Preferred examples include polymers and polyvinylidene fluoride-perfluorocarbon sulfonic acid polymers.

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

高分子電解質は、耐熱性、化学的安定性などに優れることから、フッ素原子を含むのが好ましく、なかでも、ナフィオン(登録商標、デュポン社製)、アシプレックス(登録商標、旭化成株式会社製)、フレミオン(登録商標、旭硝子株式会社製)などのフッ素系電解質が好ましく挙げられる。   The polymer electrolyte preferably contains a fluorine atom because of its excellent heat resistance and chemical stability. Among them, Nafion (registered trademark, manufactured by DuPont), Aciplex (registered trademark, manufactured by Asahi Kasei Co., Ltd.) Fluorine electrolytes such as Flemion (registered trademark, manufactured by Asahi Glass Co., Ltd.) are preferred.

本発明に係るアノード側電極触媒層およびカソード側電極触媒層は、電極触媒およびプロトン伝導性高分子を含み必要により撥水材料を含む。また本発明において電極触媒は、触媒成分が導電性材料に担持されてなるものである。   The anode-side electrode catalyst layer and the cathode-side electrode catalyst layer according to the present invention include an electrode catalyst and a proton conductive polymer, and if necessary, a water-repellent material. In the present invention, the electrode catalyst is formed by supporting a catalyst component on a conductive material.

本発明に係る電極触媒層に用いられる触媒成分は、カソード触媒層では、酸素の還元反応に触媒作用を有するものであれば特に制限はなく、公知の触媒が使用できる。また、アノード触媒層に用いられる触媒成分もまた、水素の酸化反応に触媒作用を有するものであれば特に制限はなく公知の触媒が同様にして使用できる。具体的には、白金、ルテニウム、イリジウム、ロジウム、パラジウム、オスミウム、タングステン、鉛、鉄、クロム、コバルト、ニッケル、マンガン、バナジウム、モリブデン、ガリウム、アルミニウム等の金属、およびそれらの合金等などから選択される。これらのうち、触媒活性、一酸化炭素等に対する耐被毒性、耐熱性などを向上させるために、少なくとも白金を含むものが好ましく用いられる。   The catalyst component used in the electrode catalyst layer according to the present invention is not particularly limited as long as it has a catalytic action for the oxygen reduction reaction in the cathode catalyst layer, and a known catalyst can be used. Further, the catalyst component used in the anode catalyst layer is not particularly limited as long as it has a catalytic action for the oxidation reaction of hydrogen, and a known catalyst can be used in the same manner. Specifically, it is selected from platinum, ruthenium, iridium, rhodium, palladium, osmium, tungsten, lead, iron, chromium, cobalt, nickel, manganese, vanadium, molybdenum, gallium, aluminum, etc., and alloys thereof. Is done. Among these, those containing at least platinum are preferably used in order to improve catalyst activity, poisoning resistance to carbon monoxide and the like, heat resistance, and the like.

前記合金の組成は、合金化する金属の種類にもよるが、白金が30〜90原子%、合金化する金属が10〜70原子%とするのが好ましい。カソード触媒として合金を使用する場合の合金の組成は、合金化する金属の種類などによって異なり、当業者が適宜選択できるが、白金が30〜90原子%、合金化する他の金属が10〜70原子%とすることが好ましい。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。   Although the composition of the alloy depends on the type of metal to be alloyed, platinum is preferably 30 to 90 atomic%, and the metal to be alloyed is preferably 10 to 70 atomic%. The composition of the alloy when the alloy is used as the cathode catalyst varies depending on the type of metal to be alloyed and can be appropriately selected by those skilled in the art, but platinum is 30 to 90 atomic%, and other metals to be alloyed are 10 to 70. It is preferable to use atomic%. In general, an alloy is a generic term for an element obtained by adding one or more metal elements or non-metal elements to a metal element and having metallic properties.

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、本発明ではいずれであってもよい。この際、前記カソード触媒層に用いられる触媒成分および前記アノ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できる。以下の説明では、特記しない限り、カソード触媒層およびアノ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り、一括して「触媒成分」と称する。しかしながら、カソード触媒層およびアノード触媒層用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、適宜選択される。   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. In the present invention, any of them may be used. At this time, the catalyst component used for the cathode catalyst layer and the catalyst component used for the anode catalyst layer can be appropriately selected from the above. In the following description, unless otherwise specified, the descriptions of the catalyst components for the cathode catalyst layer and the anode catalyst layer have the same definition for both, and are collectively referred to as “catalyst components”. However, the catalyst components for the cathode catalyst layer and the anode catalyst layer do not have to be the same, and are 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使用できるが、触媒成分は、粒状であることが好ましい。この際、触媒スラリーに用いられる触媒成分の平均粒子径は、小さいほど電気化学反応が進行する有効電極面積が増加するため酸素還元活性も高くなり好ましいが、実際には平均粒子径が小さすぎると却って酸素還元活性が低下する現象が見られる。したがって、触媒スラリーに含まれる触媒成分の平均粒子径は、1〜30nm、より好ましくは1.5〜20nm、さらに好ましくは2〜10nm、特に好ましくは2〜5nmの粒状であることが好ましい。担持の容易さという観点から1nm以上であることが好ましく、触媒利用率の観点から30nm以下である。なお、本発明における「触媒成分の平均粒径」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あるいは透過型電子顕微鏡像より調べられる触媒成分の粒子径の平均値により測定することができる。   The shape and size of the catalyst component are not particularly limited, and the same shape and size as known catalyst components can be used, but the catalyst component is preferably granular. At this time, the smaller the average particle size of the catalyst component used in the catalyst slurry, the higher the effective electrode area where the electrochemical reaction proceeds, and thus the higher the oxygen reduction activity, but in reality the average particle size is too small. On the other hand, a phenomenon in which the oxygen reduction activity decreases is observed. Therefore, the average particle diameter of the catalyst component contained in the catalyst slurry is preferably 1 to 30 nm, more preferably 1.5 to 20 nm, still more preferably 2 to 10 nm, and particularly preferably 2 to 5 nm. It is preferably 1 nm or more from the viewpoint of easy loading, and 30 nm or less from the viewpoint of catalyst utilization. The “average particle diameter of the catalyst component” in the present invention is the average value of the particle diameter of the catalyst component determined from the crystallite diameter or transmission electron microscope image obtained from the half width of the diffraction peak of the catalyst component in X-ray diffraction. Can be measured.

前記導電性材料としては、触媒成分を所望の分散状態で担持させるための比表面積を有し、集電体として十分な電子導電性を有しているものであればよく、主成分がカーボンであるのが好ましい。具体的には、カーボンブラック、活性炭、コークス、天然黒鉛、人造黒鉛などからなるカーボン粒子が挙げられる。また、かようなカーボン材料として、より具体的には、アセチレンブラック、バルカン、ケッチェンブラック、ブラックパール、黒鉛化アセチレンブラック、黒鉛化バルカン、黒鉛化ケッチェンブラック、黒鉛化カーボン、黒鉛化ブラックパール、カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバー、カーボンナノホーン、およびカーボンフィブリルから選ばれる少なくとも一種を主成分として含むものが挙げられる。なお、本発明において「主成分がカーボンである」とは、主成分として炭素原子を含むことをいい、炭素原子のみからなる、実質的に炭素原子からなる、の双方を含む概念である。場合によっては、燃料電池の特性を向上させるために、炭素原子以外の元素が含まれていてもよい。なお、実質的に炭素原子からなるとは、2〜3質量%程度以下の不純物の混入が許容されることを意味する。   The conductive material may be any material that has a specific surface area for supporting the catalyst component in a desired dispersed state and has sufficient electronic conductivity as a current collector. The main component is carbon. Preferably there is. Specific examples include carbon particles made of carbon black, activated carbon, coke, natural graphite, artificial graphite and the like. Further, as such carbon materials, more specifically, acetylene black, Vulcan, Ketjen black, black pearl, graphitized acetylene black, graphitized Vulcan, graphitized Ketjen black, graphitized carbon, graphitized black pearl , Carbon nanotubes, carbon nanofibers, carbon nanohorns, and carbon fibrils as main components. In the present invention, “the main component is carbon” refers to containing a carbon atom as a main component, and is a concept including both a carbon atom only and a substantially carbon atom. In some cases, elements other than carbon atoms may be included in order to improve the characteristics of the fuel cell. In addition, being substantially composed of carbon atoms means that mixing of impurities of about 2 to 3% by mass or less is allowed.

前記導電性材料の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。前記比表面積が、20m/g未満であると前記導電性材料への触媒成分および高分子電解質の分散性が低下して十分な発電性能が得られない恐れがあり、1600m/gを超えると触媒成分および高分子電解質の有効利用率が却って低下する恐れがある。 The BET specific surface area of the conductive material may be a specific surface area sufficient to support 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. Is good. If the specific surface area is less than 20 m 2 / g, the dispersibility of the catalyst component and the polymer electrolyte in the conductive material may be reduced, and sufficient power generation performance may not be obtained, and the specific surface area exceeds 1600 m 2 / g. In addition, the effective utilization rate of the catalyst component and the polymer electrolyte may decrease instead.

また、前記導電性材料の大きさは、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 material is not particularly limited, but from the viewpoint of controlling the ease of loading, the 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.

前記導電性材料に触媒成分が担持された電極触媒において、触媒成分の担持量は、電極触媒の全量に対して、好ましくは10〜80質量%、より好ましくは30〜70質量%とするのがよい。前記担持量が、80質量%を超えると、触媒成分の導電性材料上での分散度が下がり、担持量が増加するわりに発電性能の向上が小さく経済上での利点が低下する恐れがある。また、前記担持量が、10質量%未満であると、単位質量あたりの触媒活性が低下し、所望の発電性能を得るために多量の電極触媒が必要となり好ましくない。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 material, the supported amount of the catalyst component is preferably 10 to 80% by mass, more preferably 30 to 70% by mass with respect to the total amount of the electrode catalyst. Good. When the loading amount exceeds 80% by mass, the degree of dispersion of the catalyst component on the conductive material is lowered, and although the loading amount is increased, the improvement in power generation performance is small and the economic advantage may be lowered. On the other hand, if the supported amount is less than 10% by mass, the catalytic activity per unit mass decreases, and a large amount of electrode catalyst is required to obtain the desired power generation performance, which is not preferable. The amount of the catalyst component supported can be examined by inductively coupled plasma emission spectroscopy (ICP).

本発明に係る電極触媒層におけるプロトン伝導性高分子は、特に限定されず公知のものを用いることができるが、高分子電解質に用いられたものと同様の材料が挙げられ、少なくとも高いプロトン伝導性を有する材料であればよい。本発明のカソード触媒層/アノード触媒層(以下、単に「触媒層」とも称する)には、電極触媒の他に、高分子電解質が含まれる。この際使用できる高分子電解質は、高分子骨格の全部又は一部にフッ素原子を含むフッ素系電解質と、高分子骨格にフッ素原子を含まない炭化水素系電解質とに大別される。   The proton conductive polymer in the electrode catalyst layer according to the present invention is not particularly limited and known ones can be used, but the same materials as those used for the polymer electrolyte can be used, and at least high proton conductivity can be used. Any material that has The cathode catalyst layer / anode catalyst layer (hereinafter also simply referred to as “catalyst layer”) of the present invention contains a polymer electrolyte in addition to the electrode catalyst. The polymer electrolyte that can be used in this case is roughly classified into a fluorine-based electrolyte containing fluorine atoms in the whole or a part of the polymer skeleton and a hydrocarbon-based electrolyte not containing fluorine atoms in the polymer skeleton.

前記フッ素系電解質として、具体的には、ナフィオン(登録商標、デュポン社製)、アシプレックス(登録商標、旭化成株式会社製)、フレミオン(登録商標、旭硝子株式会社製)等のパーフルオロカーボンスルホン酸系高分子、ポリトリフルオロスチレンスルフォン酸系高分子、パーフルオロカーボンホスホン酸系高分子、トリフルオロスチレンスルホン酸系高分子、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高分子、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高分子などが好適な例として挙げられる。   Specific examples of the fluorine electrolyte include perfluorocarbon sulfonic acids such as Nafion (registered trademark, manufactured by DuPont), Aciplex (registered trademark, manufactured by Asahi Kasei Co., Ltd.), and Flemion (registered trademark, manufactured by Asahi Glass Co., Ltd.). Polymer, polytrifluorostyrene sulfonic acid polymer, perfluorocarbon phosphonic acid polymer, trifluorostyrene sulfonic acid polymer, ethylene tetrafluoroethylene-g-styrene sulfonic acid polymer, ethylene-tetrafluoroethylene Preferred examples include polymers and polyvinylidene fluoride-perfluorocarbon sulfonic acid polymers.

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

前記高分子電解質は、耐熱性、化学的安定性などに優れることから、フッ素原子を含むのが好ましく、なかでも、ナフィオン(登録商標、デュポン社製)、アシプレックス(登録商標、旭化成株式会社製)、フレミオン(登録商標、旭硝子株式会社製)などのフッ素系電解質が好ましく挙げられる。   Since the polymer electrolyte is excellent in heat resistance, chemical stability and the like, it preferably contains a fluorine atom. Among them, Nafion (registered trademark, manufactured by DuPont), Aciplex (registered trademark, manufactured by Asahi Kasei Corporation) ) And Flemion (registered trademark, manufactured by Asahi Glass Co., Ltd.).

また、導電性材料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 material 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.

尚、高分子電解質膜および電極層で用いる高分子電解質は、異なってもよいが、膜と電極との間の接触抵抗などを考慮すると同じものを用いるのが好ましい。   The polymer electrolyte used in the polymer electrolyte membrane and the electrode layer may be different, but it is preferable to use the same polymer electrolyte considering the contact resistance between the membrane and the electrode.

前記高分子電解質は、接着の役割をする高分子として電極触媒を被覆しているのが好ましい。これにより、電極の構造を安定に維持できるとともに、電極反応が進行する三相界面を十分に確保して、高い触媒活性を得ることができる。電極中に含まれる前記固体高分子電解質の含有量は、特に限定されないが、触媒成分の全量に対して25〜35質量%とするのがよい。   The polymer electrolyte is preferably coated with an electrode catalyst as a polymer that functions as an adhesive. Thereby, while being able to maintain the structure of an electrode stably, the sufficient three-phase interface where an electrode reaction advances can be ensured, and high catalyst activity can be obtained. Although content of the said solid polymer electrolyte contained in an electrode is not specifically limited, It is good to set it as 25-35 mass% with respect to the whole quantity of a catalyst component.

前記電極触媒層の空孔率は、30〜70%が好ましく、より好ましくは40〜60%である。空孔率が30%未満では、ガスの拡散が十分ではなく、高電流域でのセル電圧が低下する。また、空孔率が70%超では、電極触媒層の強度が十分ではなく、転写プロセスにおいて空孔率が低下する。   The porosity of the electrode catalyst layer is preferably 30 to 70%, more preferably 40 to 60%. If the porosity is less than 30%, gas diffusion is not sufficient, and the cell voltage in the high current region decreases. On the other hand, when the porosity exceeds 70%, the strength of the electrode catalyst layer is not sufficient, and the porosity decreases in the transfer process.

本発明に係る前記撥水層は、さらに親水性を有する材料を含み、かつ前記親水性を有する材料の相に熱伝導性を有する材料を含むことが好ましい。   It is preferable that the water-repellent layer according to the present invention further includes a hydrophilic material and includes a material having thermal conductivity in the phase of the hydrophilic material.

図3および図4に本発明の好ましい実施形態である撥水層3の平面図および断面図を示す。撥水層3は、通常のカーボンブラックを用いた疎水性の部位6と熱伝導性の大きなカーボンブラックを用いた親水性の部位7を有する。   3 and 4 are a plan view and a cross-sectional view of a water repellent layer 3 which is a preferred embodiment of the present invention. The water repellent layer 3 has a hydrophobic portion 6 using normal carbon black and a hydrophilic portion 7 using carbon black having high thermal conductivity.

前記撥水層に親水性を有する材料を含むため、電極触媒層で生成された水は、自由エネルギーにより親水性を有する材料の相に誘導される。また、親水性を有する材料の層(以下親水性層とも称する)には熱伝導性を有する材料を含んでいるため、親水性層は高い温度の触媒層と同等の温度が維持されており、親水性層に誘導された水は蒸発しやすくなる。これにより余分な水分を水蒸気化することができ、電極触媒層の水分量を管理でき、電極触媒層の水つまりの抑制や撥水層中での水つまりによるガス通路の低減も抑制され、フラッディング現象は抑制されると考えられる。   Since the water repellent layer contains a hydrophilic material, the water generated in the electrode catalyst layer is guided to the hydrophilic material phase by free energy. In addition, since the layer of hydrophilic material (hereinafter also referred to as hydrophilic layer) contains a material having thermal conductivity, the hydrophilic layer is maintained at the same temperature as the high temperature catalyst layer, Water induced in the hydrophilic layer tends to evaporate. As a result, excess water can be vaporized, the amount of water in the electrode catalyst layer can be controlled, and suppression of water in the electrode catalyst layer and reduction of gas passages due to water in the water repellent layer are also suppressed. The phenomenon is thought to be suppressed.

前記親水性を有する材料の撥水層中の含有量は、撥水層の全体の質量に対して、5〜50質量%が好ましく、10〜40質量%がより好ましく、20〜30質量%がさらに好ましい。5質量%未満だと、親水性の部位は少なく、水を触媒層から誘導しにくく、触媒層で水が溜まる。また50質量%超だと、親水性の部位が多く水を蒸発しきれない。   The content of the hydrophilic material in the water repellent layer is preferably 5 to 50% by mass, more preferably 10 to 40% by mass, and more preferably 20 to 30% by mass with respect to the total mass of the water repellent layer. Further preferred. If it is less than 5% by mass, there are few hydrophilic sites, and it is difficult to induce water from the catalyst layer, and water accumulates in the catalyst layer. On the other hand, if it exceeds 50% by mass, there are many hydrophilic sites and water cannot be evaporated.

本発明に係る親水性を有する材料は、公知のものを用いることができるが、例えば上記電解質膜の成分と同じナフィオン(登録商標)溶液(デュポン社製)、SiO分散液(フジシリシア製、SiOおよび水またはアルコールの分散液(メタノール、エタノール、プロパノール等の低級アルコールおよびこれらの混合アルコールが用いられる))、TiO分散液、Al分散液などが挙げられる。好ましくはSiO分散液およびTiO分散液であり、より好ましくはSiO分散液である。 As the material having hydrophilicity according to the present invention, known materials can be used. For example, the same Nafion (registered trademark) solution (manufactured by DuPont) as the components of the electrolyte membrane, SiO 2 dispersion (manufactured by Fuji Silysia, SiO 2 ). 2 and water or alcohol dispersions (lower alcohols such as methanol, ethanol, propanol and mixed alcohols thereof are used), TiO 2 dispersions, Al 2 O 3 dispersions, and the like. SiO 2 dispersion and TiO 2 dispersion are preferable, and SiO 2 dispersion is more preferable.

本発明は、前記ガス拡散層において、ガス流路の入り口側に含まれる熱伝導性を有する材料の量が、ガス流路の出口側に含まれる熱伝導性を有する材料の量より少ないことが好ましい。また、アノード側、カソード側のガス拡散層の両方において、ガス流路の入り口側に含まれる熱伝導性を有する材料の量が、ガス流路の出口側に含まれる熱伝導性を有する材料の量より少ないことが好ましいが、より好ましくはカソード側のガス拡散層においてである。   According to the present invention, in the gas diffusion layer, the amount of the thermal conductive material contained on the inlet side of the gas flow path is less than the amount of the thermal conductive material contained on the outlet side of the gas flow path. preferable. Further, in both the anode-side and cathode-side gas diffusion layers, the amount of the material having thermal conductivity contained in the inlet side of the gas flow path is the same as that of the material having thermal conductivity contained in the outlet side of the gas flow path. The amount is preferably less than the amount, but more preferably in the gas diffusion layer on the cathode side.

図6に本発明の好ましい実施形態であるカソード極(酸化剤極)側の構成を示す。図2との相違は、撥水層3が、通常のカーボンブラックを用いた疎水性の部位6と熱伝導性の大きなカーボンブラックを用いた親水性の部位7にガス流れ方向に分割されており、ガス出口側に親水性の部位7、ガス入口側に疎水性の部位6を配したことである。   FIG. 6 shows a configuration on the cathode electrode (oxidant electrode) side which is a preferred embodiment of the present invention. The difference from FIG. 2 is that the water repellent layer 3 is divided in the gas flow direction into a hydrophobic portion 6 using normal carbon black and a hydrophilic portion 7 using carbon black having a large thermal conductivity. This is because the hydrophilic part 7 is arranged on the gas outlet side and the hydrophobic part 6 is arranged on the gas inlet side.

すなわち、アノード側で生成されたプロトンがクラスター化した水分子とともにカソード側に移動して、カソード側で酸素およびプロトンが反応し水が生成されるため、カソード側電極触媒内に水が滞留する。この生成水は、濃度拡散や気化した水蒸気の拡散などを駆動力としてガス拡散層側に移動し、排出されるが、特に高電流を供給する場合、水の生成反応がより進行するため、水の排出量より生成水の量が増えて大量の水が滞留する。これがいわゆるフラッディング現象の要因の一つとなっている。このため、本発明に係るガス拡散層はアノード、カソードいずれの側、又は双方の側に配置されてもよいが、好ましくはカソード側に配置される。   That is, protons generated on the anode side move to the cathode side together with clustered water molecules, and oxygen and protons react on the cathode side to generate water, so that water stays in the cathode side electrode catalyst. This generated water moves to the gas diffusion layer side by using concentration diffusion or vaporized water vapor diffusion as a driving force, and is discharged. However, particularly when a high current is supplied, the water generation reaction further proceeds. The amount of produced water increases from the amount of discharged water, and a large amount of water stays. This is one of the factors of the so-called flooding phenomenon. For this reason, the gas diffusion layer according to the present invention may be disposed on either or both sides of the anode and the cathode, but is preferably disposed on the cathode side.

しかし、本発明のように、予め生成水が溜まりやすい、ガス流路出口近傍に熱導電性材料を用いることで、ガス流路出口付近の温度を上昇させ、生成水の気化を促し、水の排出速度を上げることで、効率よくフラッディング現象を抑制・防止することができる。   However, as in the present invention, by using a thermally conductive material in the vicinity of the gas flow path outlet where the generated water is likely to accumulate in advance, the temperature in the vicinity of the gas flow path outlet is increased, and vaporization of the generated water is promoted. By increasing the discharge speed, the flooding phenomenon can be efficiently suppressed / prevented.

すなわち、撥水層においてガス拡散基材の出口方向からガス拡散基材の入り口方向に、熱伝導性を有する材料の濃度勾配があり、ガス拡散基材の入り口方向に向かって濃度が減少していることが好ましく、また、ガス拡散基材の出口近傍にだけ熱伝導性を有する材料が含まれていることも好ましい。撥水層中で、ガス拡散基材出口側からガス拡散基材入り口側に向かって熱伝導性を有する材料の濃度分布は、離散的に変化してもよく、また連続的に変化してもよいが、好ましくは離散的に変化することである。   That is, in the water repellent layer, there is a concentration gradient of the material having thermal conductivity from the exit direction of the gas diffusion substrate to the entrance direction of the gas diffusion substrate, and the concentration decreases toward the entrance direction of the gas diffusion substrate. It is also preferable that a material having thermal conductivity is included only in the vicinity of the outlet of the gas diffusion base material. In the water-repellent layer, the concentration distribution of the material having thermal conductivity from the gas diffusion base material outlet side to the gas diffusion base material inlet side may vary discretely or continuously. It is good, but preferably it varies discretely.

ガス流路出口近傍に熱導電性材料を用いる範囲は、ガス流路出口(0%)からガス流路入り口(100%)までの水平方向の長さを100%とすると、ガス流路出口を基準に、ガス流路出口である一端からガス流路入り口方向に向かって5%の長さの領域ないしガス流路出口である一端からガス流路入り口方向に向かって50%の長さの領域が好ましく、ガス流路出口である一端からガス流路入り口方向に向かって10%の長さの領域ないしガス流路出口である一端からガス流路入り口方向に向かって40%の長さの領域がより好ましく、ガス流路出口である一端からガス流路入り口方向に向かって20%の長さの領域ないしガス流路出口である一端からガス流路入り口方向に向かって30%の長さの領域がさらに好ましい。   The range in which the thermally conductive material is used in the vicinity of the gas flow path outlet is such that when the horizontal length from the gas flow path outlet (0%) to the gas flow path inlet (100%) is 100%, the gas flow path outlet is As a reference, a region having a length of 5% from one end as a gas flow channel outlet toward the gas flow channel inlet direction or a region having a length of 50% from one end as a gas flow channel outlet toward the gas flow channel inlet direction Preferably, a region having a length of 10% from one end that is the gas channel outlet toward the gas channel inlet direction or a region having a length of 40% from the one end that is the gas channel outlet toward the gas channel inlet direction More preferably, a region having a length of 20% from one end that is the gas channel outlet toward the gas channel inlet direction or a length of 30% from the one end that is the gas channel outlet toward the gas channel inlet direction A region is more preferred.

ガス流路出口を基準に、ガス流路出口である一端からガス流路入り口方向に向かって5%未満の領域に熱導電性材料が含まれている場合だと親水性の部位が少なく、水を触媒層から誘導しにくく、触媒層で水が溜まる。また、ガス流路出口を基準に、ガス流路出口である一端からガス流路入り口方向に向かって50%超の領域に熱導電性材料が含まれている場合だと親水性の部位が多く、水を蒸発しきれないからである。   When the heat conductive material is contained in an area of less than 5% from one end of the gas flow path outlet toward the gas flow path entrance direction with reference to the gas flow path outlet, the hydrophilic portion is small, Is difficult to guide from the catalyst layer, and water accumulates in the catalyst layer. In addition, when the thermally conductive material is contained in an area of more than 50% from one end that is the gas channel outlet toward the gas channel inlet direction with reference to the gas channel outlet, there are many hydrophilic parts. This is because water cannot be evaporated.

また、ガス拡散基材の出口付近における熱伝導性を有する材料の体積%(単位体積あたりの熱伝導性を有する材料が占める割合)とガス拡散基材の入り口付近における熱伝導性を有する材料の体積%との差、すなわち上記のガス流路出口近傍に熱導電性材料を用いる範囲とその範囲外の体積%との差は、20体積%〜100体積%が好ましい。20体積%〜100体積%の範囲であれば、親水性の部位の量が適度に存在し、効果的に水を誘導し、誘導した水を蒸発しやすいからである。   In addition, the volume% of the material having thermal conductivity in the vicinity of the outlet of the gas diffusion substrate (ratio of the material having thermal conductivity per unit volume) and the material having thermal conductivity in the vicinity of the inlet of the gas diffusion substrate. The difference between the volume%, that is, the difference between the range in which the thermally conductive material is used near the gas channel outlet and the volume% outside the range is preferably 20 volume% to 100 volume%. This is because the amount of the hydrophilic portion is moderately present in the range of 20% by volume to 100% by volume, and water is effectively induced and the induced water is easily evaporated.

前記撥水層において、ガス拡散基材側に含まれる熱伝導性を有する材料の量が、電極触媒層側に含まれる熱伝導性を有する材料の量より少ないことが好ましい。   In the water repellent layer, it is preferable that the amount of the material having thermal conductivity contained on the gas diffusion base side is smaller than the amount of the material having thermal conductivity contained on the electrode catalyst layer side.

図5に本発明の好ましい実施形態であるカソード極(酸化剤極)側の構成を示す。図2との相違は、撥水層3が、通常のカーボンブラックを用いた疎水性の部位6と熱伝導性の大きなカーボンブラックを用いた親水性の部位7に断面方向に分割されており、電極触媒層側に親水性の部位7、ガス拡散基材側に疎水性の部位6を配したことである。   FIG. 5 shows a configuration on the cathode (oxidant electrode) side which is a preferred embodiment of the present invention. The difference from FIG. 2 is that the water repellent layer 3 is divided in a cross-sectional direction into a hydrophobic portion 6 using normal carbon black and a hydrophilic portion 7 using carbon black having a large thermal conductivity. This is that a hydrophilic portion 7 is arranged on the electrode catalyst layer side and a hydrophobic portion 6 is arranged on the gas diffusion base material side.

すなわち、撥水層において電極触媒層からガス拡散基材方向に、熱伝導性を有する材料の濃度勾配があり、ガス拡散基材方向に向かって濃度が減少している。   That is, in the water repellent layer, there is a concentration gradient of the material having thermal conductivity from the electrode catalyst layer to the gas diffusion base material, and the concentration decreases toward the gas diffusion base material.

電極触媒層および撥水層の境界において、電極触媒層に対して面直方向にそって、撥水層内の電極触媒層との境界近傍に熱伝導性を有する材料を含ませると、この境界近傍の領域の温度を高くすることができる。また、電極触媒層およびガス拡散層の境界付近では生成水がたまりやすいため、この領域で生成水を蒸気化でき、効率よく、フラッディング現象を抑制できると考えられる。   If a material having thermal conductivity is included in the vicinity of the boundary between the electrode catalyst layer and the water-repellent layer along the plane perpendicular to the electrode catalyst layer and the electrode catalyst layer in the water-repellent layer, this boundary is included. The temperature in the nearby region can be increased. Further, since the generated water tends to collect near the boundary between the electrode catalyst layer and the gas diffusion layer, the generated water can be vaporized in this region, and the flooding phenomenon can be efficiently suppressed.

撥水層中で、ガス拡散基材側に向かって電極触媒層の面直方向における熱伝導性を有する材料の濃度分布は、離散的に変化してもよく、また連続的に変化してもよいが、好ましくは離散的に変化することである。   In the water repellent layer, the concentration distribution of the material having thermal conductivity in the direction perpendicular to the surface of the electrode catalyst layer toward the gas diffusion substrate side may vary discretely or continuously. It is good, but preferably it varies discretely.

もちろん、撥水層とは別に、電極触媒層および撥水層の間に熱伝導性を有する材料からなる層を設けてもよい。尚、この場合の熱伝導性を有する材料からなる層の厚さは5〜25μmが好ましい。   Of course, a layer made of a material having thermal conductivity may be provided between the electrode catalyst layer and the water repellent layer separately from the water repellent layer. In this case, the thickness of the layer made of a material having thermal conductivity is preferably 5 to 25 μm.

また、離散的に濃度勾配を変化させる場合、撥水層中において、撥水層および電極触媒層の境界近傍に熱伝導性を有する材料を含ませる範囲は、撥水層と電極触媒層との境界を基準として、撥水層全体の厚さを100体積%とすると、撥水層と電極触媒層との境界である一端から面直方向であるガス拡散基材方向に向かって5体積%の厚さの領域ないし撥水層と電極触媒層との境界である一端から面直方向であるガス拡散基材方向に向かって50体積%の厚さの領域が好ましく、撥水層と電極触媒層との境界である一端から面直方向であるガス拡散基材方向に向かって10体積%の厚さの領域ないし撥水層と電極触媒層との境界である一端から面直方向であるガス拡散基材方向に向かって40体積%の厚さの領域がより好ましく、撥水層と電極触媒層との境界である一端から面直方向であるガス拡散基材方向に向かって5体積%の厚さの領域ないし撥水層と電極触媒層との境界である一端から面直方向であるガス拡散基材方向に向かって50体積%の厚さの領域がさらに好ましい。5体積%未満だと親水性の部位が少なく、水を触媒層から誘導しにくく、触媒層で水が溜まりやすい。また50体積%未満だと親水性の部位が多く水を蒸発しきれない。   When the concentration gradient is changed discretely, the range in which a material having thermal conductivity is included in the vicinity of the boundary between the water-repellent layer and the electrode catalyst layer in the water-repellent layer is between the water-repellent layer and the electrode catalyst layer. If the thickness of the entire water-repellent layer is 100% by volume based on the boundary, 5% by volume from the one end, which is the boundary between the water-repellent layer and the electrode catalyst layer, toward the gas diffusion base material, which is the perpendicular direction. A region with a thickness of 50% by volume from the one end which is the boundary between the water repellent layer and the electrode catalyst layer to the gas diffusion substrate direction which is a perpendicular direction is preferable, and the water repellent layer and the electrode catalyst layer Diffusion in the direction perpendicular to the region from one end, which is the boundary between the water repellent layer and the electrode catalyst layer, from a region of 10% by volume toward the direction of the gas diffusion base material in the direction perpendicular to the boundary from one end A region with a thickness of 40% by volume in the direction of the base material is more preferable, From one end, which is the boundary with the catalyst layer, to the gas diffusion substrate direction, which is the direction perpendicular to the surface, is 5% by volume or from one end, which is the boundary between the water repellent layer and the electrode catalyst layer, to the direction perpendicular to the surface. A region having a thickness of 50% by volume in the direction of the gas diffusion base material is more preferable. If it is less than 5% by volume, there are few hydrophilic sites, it is difficult to induce water from the catalyst layer, and water tends to accumulate in the catalyst layer. On the other hand, if it is less than 50% by volume, there are many hydrophilic sites and water cannot be evaporated.

前記撥水層において、熱伝導性を有する材料の含有量は、撥水層の全質量に対して、5〜50質量%が好ましく、20〜30質量%がより好ましい。   In the water repellent layer, the content of the material having thermal conductivity is preferably 5 to 50% by mass and more preferably 20 to 30% by mass with respect to the total mass of the water repellent layer.

電極触媒層側に含まれる熱伝導性を有する材料の体積%(単位体積あたりの熱伝導性を有する材料が占める割合)とガス拡散基材側に含まれる熱伝導性を有する材料の体積%との差は(上記の撥水層に熱伝導性を有する材料を含ませる範囲と熱導電性材料を含ませない範囲との体積%の差)、20体積%〜100体積%が好ましい。
20体積%〜100体積%の範囲であれば親水性の部位の量が適度に存在し、効果的に水を誘導し、誘導した水を蒸発しやすいからである。
Volume% of the material having thermal conductivity contained in the electrode catalyst layer side (ratio occupied by the material having thermal conductivity per unit volume) and volume% of the material having thermal conductivity contained in the gas diffusion base material side Is preferably 20% by volume to 100% by volume (difference in volume% between the range in which the water repellent layer includes a material having thermal conductivity and the range in which no thermal conductive material is included).
This is because the amount of the hydrophilic portion is moderately present in the range of 20% by volume to 100% by volume, effectively induces water and easily evaporates the induced water.

以下、本発明に係る実施態様について作製方法を説明する。   Hereinafter, a manufacturing method will be described with respect to an embodiment according to the present invention.

まず、本発明の触媒スラリーを転写用台紙上に塗布・乾燥して、電極触媒層を形成する。この際、転写用台紙としては、PTFE(ポリテトラフルオロエチレン)シート、PET(ポリエチレンテレフタレート)シート、ポリエステルシートなどの公知のシートが使用できる。なお、前記転写用台紙は、使用する触媒スラリー(特にインク中のカーボン等の導電性材料)の種類に応じて適宜選択される。また、上記工程において、電極触媒層の厚みは、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)の触媒作用が十分発揮できる厚みであれば特に制限されず、従来と同様の厚みが使用できる。具体的には、電極触媒層の厚みは、5〜20μm、より好ましくは10〜15μmである。   First, the catalyst slurry of the present invention is applied and dried on a transfer mount to form an electrode catalyst layer. In this case, as the transfer mount, a known sheet such as a PTFE (polytetrafluoroethylene) sheet, a PET (polyethylene terephthalate) sheet, or a polyester sheet can be used. The transfer mount is appropriately selected according to the type of catalyst slurry to be used (particularly, a conductive material such as carbon in ink). In the above process, the thickness of the electrode catalyst layer is not particularly limited as long as it can sufficiently exhibit the catalytic action of hydrogen oxidation reaction (anode side) and oxygen reduction reaction (cathode side). Thickness can be used. Specifically, the thickness of the electrode catalyst layer is 5 to 20 μm, more preferably 10 to 15 μm.

転写用台紙上への触媒スラリーは、特に制限されず、スクリーン印刷法、沈積法、あるいはスプレー法などの公知の方法が同様にして適用できる。また、塗布された電極触媒層の乾燥条件もまた、電極触媒層から極性溶剤を完全に除去できる条件であれば特に制限されない。具体的には、触媒スラリーの塗布層(電極触媒層)を真空乾燥機内にて、室温〜100℃、より好ましくは50〜80℃で、30〜60分間、乾燥する。この際、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。次に下記の工程に進む。   The catalyst slurry on the transfer mount is not particularly limited, and a known method such as a screen printing method, a deposition method, or a spray method can be similarly applied. Also, the drying conditions of the applied electrode catalyst layer are not particularly limited as long as the polar solvent can be completely removed from the electrode catalyst layer. Specifically, the coating layer (electrode catalyst layer) of the catalyst slurry is dried at room temperature to 100 ° C., more preferably 50 to 80 ° C. for 30 to 60 minutes in a vacuum dryer. At this time, if the thickness of the catalyst layer is not sufficient, the coating and drying process is repeated until a desired thickness is obtained. Next, the process proceeds to the following steps.

このようにして作製された固体高分子電解質膜を挟持した後、当該積層についてホットプレスを行なう。この際、ホットプレス条件は、電極触媒層及び固体高分子電解質膜が十分密接に接合できる条件であれば特に制限されないが、100〜200℃、より好ましくは110〜170℃で、電極面に対して1〜5MPaのプレス圧力で行なうのが好ましい。これにより固体高分子電解質膜および電極触媒層の接合性を高めることができる。   After sandwiching the solid polymer electrolyte membrane thus produced, hot pressing is performed on the laminate. At this time, the hot press conditions are not particularly limited as long as the electrode catalyst layer and the solid polymer electrolyte membrane can be sufficiently closely joined, but are 100 to 200 ° C., more preferably 110 to 170 ° C. The press pressure is preferably 1 to 5 MPa. Thereby, the joining property of the solid polymer electrolyte membrane and the electrode catalyst layer can be enhanced.

ホットプレスを行なった後、転写用台紙を剥がすことにより、電極触媒層および固体高分子電解質膜を含む電極を得ることができる。   After hot pressing, the electrode including the electrode catalyst layer and the solid polymer electrolyte membrane can be obtained by removing the transfer mount.

次いで、ガス拡散層を作製するが、撥水層として、熱伝導性の大きなグラファイト化カーボンおよびPTFE、ガス拡散基材として、カーボンペーパまたはカーボン不織布またはカーボンクロスを用いる。   Next, a gas diffusion layer is prepared. Graphitized carbon and PTFE having high thermal conductivity are used as the water repellent layer, and carbon paper, carbon nonwoven fabric, or carbon cloth is used as the gas diffusion base material.

撥水層の作製方法を以下に述べる。   A method for producing the water repellent layer will be described below.

まず、カーボンブラックの粉末を所望の粒子径に粉砕し、疎水剤であるPTFE(ダイキン工業社製)の分散液を質量比60:40で混合してインク(I)作製する。ここで、カーボンブラックの粉末を1〜3μmの粒子径に粉砕する。   First, carbon black powder is pulverized to a desired particle size, and a dispersion of PTFE (manufactured by Daikin Industries), which is a hydrophobic agent, is mixed at a mass ratio of 60:40 to prepare ink (I). Here, the powder of carbon black is pulverized to a particle size of 1 to 3 μm.

また必要に応じて、さらに、カーボンブラックの粉末を所望の粒子径(1〜3μmが好ましく、1.5〜2.5μmがさらに好ましい。)に粉砕し、親水剤の分散液を質量比60:40で混合してインク(I)を作製する。   Further, if necessary, the carbon black powder is further pulverized to a desired particle size (preferably 1 to 3 μm, more preferably 1.5 to 2.5 μm), and the dispersion of the hydrophilic agent is in a mass ratio of 60: Mix at 40 to make ink (I).

前記インク(I)および前記インク(II)体積%以上の親水剤の部位を設けると、断面方向にパスがつながることが分かっている。   It has been found that when a hydrophilic agent portion of the ink (I) and the ink (II) at a volume% or more is provided, a path is connected in the cross-sectional direction.

以上のようにして作製した撥水層のインクのガス拡散基材4への塗布方法は、インクをスプレーコータやバーコータ等のコータ装置を用いる方法、スプレー噴霧などで、ガス拡散基材4に塗布する方法である。または、前記インクを乾燥粉砕後、粉末をガス拡散基材4に散布する。なお、撥水層の空孔径は(50〜200)nmに、厚さは(25〜100)μmとする。   The water repellent layer produced as described above is applied to the gas diffusion base material 4 by a method using a coater device such as a spray coater or bar coater, spray spraying, or the like. It is a method to do. Alternatively, after drying and pulverizing the ink, the powder is spread on the gas diffusion substrate 4. The water-repellent layer has a pore diameter of (50 to 200) nm and a thickness of (25 to 100) μm.

次に上記で作製したガス拡散層2枚を用い、撥水層を内側にして電極触媒層および固体高分子電解質膜を含む電極を挟持することにより膜電極接合体を作製する。   Next, using the two gas diffusion layers produced as described above, a membrane electrode assembly is produced by sandwiching an electrode including an electrode catalyst layer and a solid polymer electrolyte membrane with the water repellent layer inside.

尚、上記親水剤は、本発明に係る親水性を有する材料と同様に、公知のものを使用することができるが、例えば上記電解質膜の成分と同じナフィオン(登録商標)溶液(デュポン社製)、SiO分散液(フジシリシア製、SiOおよび水またはアルコールの分散液(メタノール、エタノール、プロパノール等の低級アルコールおよびこれらの混合アルコールが用いられる))、TiO分散液、Al分散液などが挙げられる。 As the hydrophilic agent, a known material can be used in the same manner as the hydrophilic material according to the present invention. For example, the same Nafion (registered trademark) solution (manufactured by DuPont) as the component of the electrolyte membrane can be used. SiO 2 dispersion (manufactured by Fuji Silysia, dispersion of SiO 2 and water or alcohol (lower alcohols such as methanol, ethanol, propanol and mixed alcohol thereof are used)), TiO 2 dispersion, Al 2 O 3 dispersion Etc.

本発明の触媒スラリーにおいて、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、触媒スラリー中、10〜50質量%、より好ましくは20〜30質量%となるような量で存在することが好ましい。   In the catalyst slurry of the present invention, the electrode catalyst may be 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 used. It is preferable that the electrode catalyst is present in the catalyst slurry in an amount such that it is 10 to 50% by mass, more preferably 20 to 30% by mass.

本発明の触媒スラリーには、電極触媒、プロトン伝導性高分子、及び溶剤に加えて、必要があればポリテトラフルオロエチレン、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といった撥水性高分子、増粘剤などが含まれてもよい。これにより、得られる電極触媒層の撥水性を高めることができ、発電時に生成した水などを速やかに排出することができる。撥水性高分子を使用する際の、撥水性高分子の添加量は、本発明の上記効果を妨げない程度の量であれば特に制限されないが、触媒スラリーの全質量に対して、好ましくは1〜10質量%である。   The catalyst slurry of the present invention has a water repellency such as polytetrafluoroethylene, polyhexafluoropropylene, tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer, if necessary, in addition to the electrode catalyst, proton conductive polymer, and solvent. Polymers, thickeners and the like may be included. Thereby, the water repellency of the obtained electrode catalyst layer can be increased, and water generated at the time of power generation can be quickly discharged. The amount of the water-repellent polymer added when the water-repellent polymer is used is not particularly limited as long as it does not interfere with the above-described effects of the present invention, but is preferably 1 with respect to the total mass of the catalyst slurry. -10 mass%.

上記撥水性高分子に代えてまたは上記撥水性高分子に加えて、本発明の触媒スラリーは、増粘剤を含んでもよい。増粘剤の使用は、触媒スラリーなどが転写用台紙上にうまく塗布できない場合などに有効である。この際使用できる増粘剤は、特に制限されず、公知の増粘剤が使用できるが、例えば、グリセリン、(EG(エチレングリコール)、PVA(ポリビニルアルコール))などが挙げられる。増粘剤を使用する際の、増粘剤の添加量は、本発明の上記効果を妨げない程度の量であれば特に制限されないが、触媒スラリーの全質量に対して、好ましくは1〜5質量%である。さらに、本発明で使用される触媒スラリーを構成する溶剤としては、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使用できる。具体的には、水、またはシクロヘキサノール、エタノールもしくは2−プロパノール等の低級アルコールが使用できる。   Instead of the water-repellent polymer or in addition to the water-repellent polymer, the catalyst slurry of the present invention may contain a thickener. The use of a thickener is effective when the catalyst slurry or the like cannot be successfully applied onto the transfer mount. The thickener that can be used in this case is not particularly limited, and a known thickener can be used. Examples thereof include glycerin, (EG (ethylene glycol), PVA (polyvinyl alcohol)), and the like. The amount of the thickener added when using the thickener is not particularly limited as long as it does not interfere with the above effect of the present invention, but is preferably 1 to 5 with respect to the total mass of the catalyst slurry. % By mass. Furthermore, the solvent constituting the catalyst slurry used in the present invention is not particularly limited, and a normal solvent used for forming the catalyst layer can be used. Specifically, water or a lower alcohol such as cyclohexanol, ethanol or 2-propanol can be used.

本発明で使用される溶剤の量は、電解質を完全に溶解できる量であれば特に制限されないが、電解質が、溶剤中、好ましくは30〜70質量%、より好ましくは40〜60質量%の濃度になるような量である。この際、電解質の濃度が70質量%を超えると、電解質を完全には溶解せずに一部コロイドが形成される可能性があり、逆に30質量%未満であると、含まれる電解質量が少なすぎて、電解質高分子の分子鎖が十分に絡むことができず、形成される電極触媒層の機械的強度が劣る可能性がある。また、触媒スラリーにおいて、電極触媒および固体高分子電解質などを合わせた固形分の濃度は、触媒スラリー中、10〜50質量%、より好ましくは20〜30質量%程度とするのがよい。   The amount of the solvent used in the present invention is not particularly limited as long as the electrolyte can be completely dissolved, but the electrolyte is preferably in the solvent at a concentration of 30 to 70% by mass, more preferably 40 to 60% by mass. It is the quantity which becomes. At this time, if the concentration of the electrolyte exceeds 70% by mass, a part of the colloid may be formed without completely dissolving the electrolyte. Conversely, if the concentration is less than 30% by mass, the contained electrolytic mass is less than 30% by mass. If the amount is too small, the molecular chains of the electrolyte polymer cannot be sufficiently entangled, and the mechanical strength of the formed electrode catalyst layer may be inferior. Moreover, in the catalyst slurry, the concentration of the solid content including the electrode catalyst and the solid polymer electrolyte is preferably 10 to 50% by mass, more preferably about 20 to 30% by mass in the catalyst slurry.

本発明の触媒スラリーは、カソード側電極触媒層またはアノード側電極触媒層のいずれか一方のみに使用されてもあるいは双方に使用されてもよいが、アノード側は特に出力変動による生成水量の変化により乾湿の変化を受けて、初期状態における電極触媒層の多孔構造が崩れ、空隙率が低下して、電極触媒層への反応ガス供給量が低下する危険性が高いため、少なくともカソード側電極触媒層に使用されることが好ましく、特にカソード及びアノード双方の側の電極触媒層に使用されることが好ましい。   The catalyst slurry of the present invention may be used for only one or both of the cathode side electrode catalyst layer and the anode side electrode catalyst layer, but the anode side is particularly affected by changes in the amount of water produced due to output fluctuations. At least the cathode-side electrode catalyst layer because there is a high risk that the porous structure of the electrode catalyst layer in the initial state collapses due to changes in dryness and moisture, the porosity decreases, and the amount of reactant gas supplied to the electrode catalyst layer decreases. It is preferably used for the electrode catalyst layer on both the cathode and anode sides.

本発明の第2は、本発明の第1である電極を用いた燃料電池である。   A second aspect of the present invention is a fuel cell using the electrode according to the first aspect of the present invention.

本発明に係る電極を用いた前記燃料電池は、下記に詳述されるように、一般的にガス拡散層をさらに有しており、この際、ガス拡散層は、上記方法において、転写用台紙を剥がし、得られた接合体をさらにガス拡散層で挟持することによって、電極触媒層と固体高分子電解質膜との接合後にさらに各電極触媒層に接合することが好ましい。または、電極触媒層を予めガス拡散層表面上に形成して電極触媒層−ガス拡散層接合体を製造した後、上記と同様にして、この電極触媒層−ガス拡散層接合体で固体高分子電解質膜をホットプレスにより挟持・接合することもまた好ましい。   The fuel cell using the electrode according to the present invention generally further includes a gas diffusion layer as described in detail below. At this time, the gas diffusion layer is a transfer mount in the above method. It is preferable that the electrode assembly is further bonded to each electrode catalyst layer after the electrode catalyst layer and the solid polymer electrolyte membrane are bonded, by further sandwiching the obtained bonded body with a gas diffusion layer. Alternatively, after an electrode catalyst layer is formed on the surface of the gas diffusion layer in advance to produce an electrode catalyst layer-gas diffusion layer assembly, a solid polymer is obtained in the same manner as described above with the electrode catalyst layer-gas diffusion layer assembly. It is also preferable to sandwich and join the electrolyte membrane by hot pressing.

前記のホットプレス方法以外に、ガス拡散層上に逐次を塗布にすることより電極触媒層−高分子電解質膜−電極触媒層−ガス拡散層を積層する方法を用いても良い。   In addition to the hot pressing method described above, a method of laminating an electrode catalyst layer, a polymer electrolyte membrane, an electrode catalyst layer, and a gas diffusion layer by sequentially coating the gas diffusion layer may be used.

本発明では、熱処理を従来公知の方法と同様の方法によって電極(膜電極接合体)が製造できる。例えば、調製された触媒スラリーを所望の厚さで転写用台紙上に塗布・乾燥することによって、カソード側およびアノード側の電極触媒層を形成し、さらにこの電極触媒層が内側にくるように高分子電解質膜を上記電極触媒層で挟持してホットプレス等により接合した後、転写用台紙を剥がすことによって、電解質膜に触媒層を取り付けた。   In the present invention, an electrode (membrane electrode assembly) can be produced by a heat treatment similar to a conventionally known method. For example, by applying and drying the prepared catalyst slurry on a transfer mount with a desired thickness, an electrode catalyst layer on the cathode side and the anode side is formed, and the electrode catalyst layer is placed so that the electrode catalyst layer is on the inside. After sandwiching the molecular electrolyte membrane between the electrode catalyst layers and joining them by hot pressing or the like, the catalyst layer was attached to the electrolyte membrane by peeling off the transfer mount.

このようにして作製した触媒層コート済の電解質膜の触媒層側およびガス拡散層(カーボン層コート済のカーボンペーパのカーボン層側を貼り合わせて電極(MEA:膜電極接合体)を作製した。   The catalyst layer-coated electrolyte membrane thus prepared and the gas diffusion layer (the carbon layer side of the carbon paper coated with the carbon layer) were bonded together to produce an electrode (MEA: membrane electrode assembly).

前記燃料電池の種類としては、特に限定されず、上記の説明中では高分子電解質型燃料電池を例に挙げて説明したが、この他にも、アルカリ型燃料電池、リン酸型燃料電池に代表される酸型電解質の燃料電池、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、固体高分子電解質型燃料電池が好ましく挙げられる。また、前記燃料電池は、搭載スペースが限定される車両などの移動体用電源の他、定置用電源などとして有用であるが、特にシステムの起動/停止や出力変動が頻繁に発生する自動車用途で特に好適に使用できる。   The type of the fuel cell is not particularly limited. In the above description, the polymer electrolyte fuel cell has been described as an example, but other than that, typical examples are an alkaline fuel cell and a phosphoric acid fuel cell. Examples thereof include an acid electrolyte fuel cell, a direct methanol fuel cell, and a micro fuel cell. Among them, a solid 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 stationary power source in addition to a power source for a moving body such as a vehicle in which a mounting space is limited. However, the fuel cell is particularly useful for an automobile application in which system start / stop and output fluctuation frequently occur. It can be particularly preferably used.

前記高分子電解質型燃料電池は、定置用電源の他、搭載スペースが限定される自動車などの移動体用電源などとして有用である。なかでも、比較的長時間の運転停止後に高い出力電圧が要求されることによるカーボン担体の腐食、および、運転時に高い出力電圧が取り出されることにより高分子電解質の劣化が生じやすい自動車などの移動体用電源として用いられるのが特に好ましい。   The polymer electrolyte fuel cell is useful not only as a stationary power source but also as a power source for a moving body such as an automobile having a limited mounting space. In particular, moving bodies such as automobiles that are susceptible to corrosion of the carbon support due to the high output voltage required after a relatively long shutdown, and deterioration of the polymer electrolyte due to the high output voltage being taken out during operation. It is particularly preferred to be used as a power source.

前記燃料電池の構成としては、特に限定されず、従来公知の技術を適宜利用すればよいが、一般的には電極(膜電極接合体)をセパレータで挟持した構造を有する。   The configuration of the fuel cell is not particularly limited, and a conventionally known technique may be used as appropriate. Generally, the fuel cell has a structure in which an electrode (membrane electrode assembly) is sandwiched between separators.

前記セパレータの材料としては、緻密カーボングラファイト、炭素板等の炭素材料や、ステンレス等の金属材料など、従来公知のものであれば制限なく用いることができる。セパレータは、空気および燃料ガスを分離する機能を有するものであり、それらの流路を確保するための流路溝が形成されてもよい。セパレータの厚さや大きさ、流路溝の形状などについては、特に限定されず、得られる燃料電池の出力特性などを考慮して適宜決定すればよい。   As the material of the separator, any conventionally known material such as a carbon material such as dense carbon graphite or a carbon plate, or a metal material such as stainless steel can be used without limitation. The separator has a function of separating air and fuel gas, and a channel groove for securing these channels may be formed. The thickness and size of the separator, the shape of the flow channel, and the like are not particularly limited, and may be appropriately determined in consideration of the output characteristics of the obtained fuel cell.

また、各触媒層に供給されるガスが外部にリークするのを防止するために、ガスケット層上の触媒層が形成されていない部位にさらにガスシール部が設けられてもよい。前記ガスシール部を構成する材料としては、フッ素ゴム、シリコンゴム、エチレンプロピレンゴム(EPDM)、ポリイソブチレンゴム等のゴム材料、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、ポリヘキサフルオロプロピレン、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体(FEP)等のフッ素系の高分子材料、ポリオレフィンやポリエステル等の熱可塑性樹脂などが挙げられる。また、ガスシール部の厚さとしては、50μm〜2mm、望ましくは100μm〜1mm程度とすればよい。   Further, in order to prevent the gas supplied to each catalyst layer from leaking to the outside, a gas seal portion may be further provided at a portion where the catalyst layer is not formed on the gasket layer. Examples of the material constituting the gas seal portion include rubber materials such as fluoro rubber, silicon rubber, ethylene propylene rubber (EPDM), polyisobutylene rubber, polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylidene fluoride (PVDF), polyhexafluoro. Fluorine polymer materials such as propylene, tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer (FEP), and thermoplastic resins such as polyolefin and polyester. In addition, the thickness of the gas seal portion may be about 50 μm to 2 mm, preferably about 100 μm to 1 mm.

さらに、燃料電池が所望する電圧等を得られるように、セパレータを介して電極(膜電極接合体)を複数積層して直列に繋いだ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 stack in which a plurality of electrodes (membrane electrode assemblies) are stacked via a separator and connected in series may be formed so that the fuel cell can obtain a desired voltage or the like. 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.

以下、本発明を実施例に基づいて具体的に説明する。なお、本発明は、これらの実施例のみに限定されることはない。また、当該実施例において、「%」は特記しない限り質量百分率を表わすものとする。   Hereinafter, the present invention will be specifically described based on examples. In addition, this invention is not limited only to these Examples. In the examples, “%” represents a mass percentage unless otherwise specified.

(第1実施例)
(1)ガス拡散層の作製
撥水層として、熱伝導性の大きなグラファイト化カーボンおよびPTFE、ガス拡散基材として、カーボンペーパを用いた。
(First embodiment)
(1) Production of gas diffusion layer Graphitized carbon and PTFE having large thermal conductivity were used as the water repellent layer, and carbon paper was used as the gas diffusion base material.

カーボンペーパ(東レ株式会社製 カーボンペーパTGP−H−060、厚さ200μm)を50mm角に打ち抜いた基材を準備した。この基材を、PTFEの水性分散液(ダイキン工業社製 ポリフロンD−1E、PTFE60%含有)を純水で所定の濃度に調製した溶液中に1分浸漬させた後、オーブン内にて80℃、20分間乾燥させることにより、前記基材中にPTFEを分散させた。このとき、PTFE含有量は10%であった。これにより、撥水処理したガス拡散基材を得た。   A substrate was prepared by punching carbon paper (Carbon Paper TGP-H-060, thickness 200 μm, manufactured by Toray Industries, Inc.) into a 50 mm square. This base material was immersed for 1 minute in a solution prepared by adding an aqueous dispersion of PTFE (polyflon D-1E manufactured by Daikin Industries, Ltd., containing 60% PTFE) to a predetermined concentration with pure water, and then in an oven at 80 ° C. The PTFE was dispersed in the substrate by drying for 20 minutes. At this time, the PTFE content was 10%. As a result, a water-repellent treated gas diffusion base material was obtained.

一方撥水層の作製方法は、以下に示す。   On the other hand, a method for producing the water repellent layer is described below.

グラファイト化ケッチェンブラックの粒子径(熱導電率1(W/m・K))を所望の径に粉砕し、疎水剤であるPTFEの分散液(ダイキン工業社製 ポリフロンD−1E、PTFE60%含有)を質量比60:40(グラファイト化ケッチェンブラック:PTFE分散液)出混合して撥水層インクを調製した。ここで、カーボンブラックの粉末を3μmの粒子径に粉砕した。そして、ホモジナイザーにて1時間混合分散し、撥水層インクをさらに調製した。このインクを、先に作製した撥水処理基材の一方の面にスプレーコータにより均一に塗布し、オーブン内にて80℃、1時間乾燥させた後、さらにマッフル炉にて350℃、1時間熱処理を行った。なお、撥水層の空孔径は100nmに、厚さは50μmとした。   The particle diameter (thermal conductivity 1 (W / m · K)) of graphitized ketjen black is pulverized to a desired diameter, and a dispersion of PTFE as a hydrophobic agent (polyflon D-1E manufactured by Daikin Industries, 60% PTFE contained) ) In a mass ratio of 60:40 (graphitized ketjen black: PTFE dispersion) was mixed to prepare a water-repellent layer ink. Here, the carbon black powder was pulverized to a particle size of 3 μm. And it mixed and dispersed for 1 hour with the homogenizer, and also prepared the water-repellent layer ink. This ink was uniformly applied to one surface of the water-repellent treated substrate prepared previously by a spray coater, dried in an oven at 80 ° C. for 1 hour, and further in a muffle furnace at 350 ° C. for 1 hour. Heat treatment was performed. The pore diameter of the water repellent layer was 100 nm and the thickness was 50 μm.

電極触媒層(2)
白金担持カーボン(田中貴金属工業株式会社製 TEC10E50E、白金含量50wt%)と、ナフィオン(登録商標)(デュポン社製、ナフィオン5wt%含有)のn−プロピルアルコール溶液と、純水と、イソプロピルアルコールと、を質量比で1:1:5:5として、25℃で保持するよう設定したウォーターバス中のガラス容器にてホモジナイザーを用いて1時間混合分散することで、触媒スラリーを調製した。次に、前記触媒層インクを、テフロンシート上にスクリーンプリンターを用いて塗布し、大気中、25℃で6時間乾燥させることにより、テフロンシート上に触媒層(面積1cmあたりの白金質量0.4mg)を作製した。
Electrocatalyst layer (2)
Platinum-supported carbon (TEC10E50E manufactured by Tanaka Kikinzoku Kogyo Co., Ltd., platinum content 50 wt%), n-propyl alcohol solution of Nafion (registered trademark) (manufactured by DuPont, containing 5 wt% Nafion), pure water, isopropyl alcohol, The catalyst slurry was prepared by mixing and dispersing for 1 hour using a homogenizer in a glass container in a water bath set to be maintained at 25 ° C. at a mass ratio of 1: 1: 5: 5. Next, the catalyst layer ink was applied on a Teflon sheet using a screen printer and dried in the atmosphere at 25 ° C. for 6 hours, whereby the catalyst layer (platinum mass per 1 cm 2 . 4 mg).

膜電極接合体(3)
上記(2)で作製した触媒層2枚を、固体高分子電解質膜(ナフィオン211(登録商標))の両側に配置した後、ホットプレス法により130℃、2MPaで10分間ホットプレスした後にテフロンシートを剥がして接合体とした。上記(1)に作製したガス拡散層2枚を用いてカーボン粒子層を内側にして前記接合体を挟持することにより膜電極接合体を作製した。これをカーボンセパレータ、集電板で挟み、評価用セルとした。
Membrane electrode assembly (3)
After two catalyst layers prepared in (2) above are placed on both sides of a solid polymer electrolyte membrane (Nafion 211 (registered trademark)), hot pressing is performed at 130 ° C. and 2 MPa for 10 minutes, and then a Teflon sheet Was peeled off to obtain a joined body. Using the two gas diffusion layers prepared in (1) above, the membrane electrode assembly was manufactured by sandwiching the assembly with the carbon particle layer inside. This was sandwiched between a carbon separator and a current collector plate to obtain an evaluation cell.

(第2実施例)
撥水層の作製方法を以下に述べる。
(Second embodiment)
A method for producing the water repellent layer will be described below.

ガス拡散層の作製
ケッチェンブラックの粒子径を所望の径に粉砕し、疎水剤であるPTFE(ダイキン工業社製 ポリフロンD−1E、PTFE60wt%含有)の分散液を質量比60:40で混合して撥水層インク(1)を調製した。
Preparation of Gas Diffusion Layer Ketjen Black particle size is pulverized to a desired size, and a dispersion of PTFE, a hydrophobic agent (polyflon D-1E manufactured by Daikin Industries, Ltd., containing 60 wt% PTFE) is mixed at a mass ratio of 60:40 Thus, a water repellent layer ink (1) was prepared.

さらに、グラファイト化ケッチェンブラック(熱伝導率1W/m・K)を所望の粒子径に粉砕し、親水剤SiOの分散液を質量比60:40(グラファイト化ケッチェンブラック:SiOの分散液)で混合してインク(2)を調製した。インク1とインク2をインク(1):インク(2)=70:30の体積比で混合した。両方のカーボンブラックの粒子径は第1実施例と同様であり、ガス拡散基材は第1実施例と同様にカーボンペーパを用いた。 Further, the graphitized ketjen black (thermal conductivity 1 W / m · K) is pulverized to a desired particle diameter, and the dispersion of the hydrophilic agent SiO 2 is mass ratio 60:40 (graphitized ketjen black: dispersion of SiO 2 The ink (2) was prepared by mixing with the liquid. Ink 1 and ink 2 were mixed at a volume ratio of ink (1): ink (2) = 70: 30. The particle sizes of both carbon blacks were the same as in the first example, and carbon paper was used as the gas diffusion substrate in the same manner as in the first example.

以上のようにして作製した撥水層のインク(1)および(2)のガス拡散基材への塗布方法、その他の条件も第1実施例と同様に行い膜電極接合体、評価セルを作製した。なお、空孔径も厚さも第1実施例と同様である。   The method of applying the water repellent layer ink (1) and (2) prepared as described above to the gas diffusion base material and other conditions were the same as in the first example, and a membrane electrode assembly and an evaluation cell were prepared. did. The hole diameter and thickness are the same as in the first embodiment.

(第3実施例)
撥水層の作製方法を以下に述べる。
(Third embodiment)
A method for producing the water repellent layer will be described below.

ガス拡散層の作製
ガス拡散層において、それぞれの層のインクの作製方法は第2実施例と同様であり、ガス拡散基材は第1実施例と同様にカーボンペーパを用いた。まず、通常のカーボンブラック(ケッチェンブラック 熱伝導率0.1W/m・K)を用いた疎水性のインク(3)をガス拡散基材(東レ株式会社製 カーボンペーパTGP−H−060、厚さ200μm)に塗布し、その後、熱伝導性の大きなカーボンブラック(グラファイト化ケッチェンブラック(熱伝導率1W/m・K))を用いた親水性のインク(4)をその上部から塗布した。
Production of Gas Diffusion Layer In the gas diffusion layer, the production method of the ink of each layer was the same as in the second example, and carbon paper was used as the gas diffusion substrate as in the first example. First, a hydrophobic ink (3) using ordinary carbon black (Ketjen Black thermal conductivity 0.1 W / m · K) was used as a gas diffusion base material (Carbon Paper TGP-H-060, thickness manufactured by Toray Industries, Inc.) Then, a hydrophilic ink (4) using carbon black having high thermal conductivity (graphitized ketjen black (thermal conductivity 1 W / m · K)) was applied from the upper part thereof.

ガス拡散基材への塗布方法も、第1実施例と同様に行い、膜電極接合体、評価セルを作製した。なお、空孔径は第1実施例と同様であり、親水性の層の厚さは10μm、疎水性の層の厚さは40μmとした。   The coating method on the gas diffusion substrate was also performed in the same manner as in the first example, and a membrane electrode assembly and an evaluation cell were produced. The pore diameter was the same as in the first example, the thickness of the hydrophilic layer was 10 μm, and the thickness of the hydrophobic layer was 40 μm.

(第4実施例)
ガス拡散層において、それぞれの層のインクの作製方法は第2実施例と同様であり、ガス拡散基材は第1実施例と同様にカーボンペーパを用いた。ガス拡散基材をマスキングし、通常のカーボンブラック(ケッチェンブラック 熱伝導率0.1W/m・K)を用いた疎水性のインク(5)をガス拡散基材(実際用いたものを記載してください)に塗布し、その後、マスキングを疎水性の部位に変更して熱伝導性の大きなカーボンブラック((グラファイト化ケッチェンブラック(熱伝導率1W/m・K)を用いた親水性のインク(6)を塗布した。
(Fourth embodiment)
In the gas diffusion layer, the method for producing the ink of each layer was the same as in the second example, and the carbon paper was used for the gas diffusion substrate in the same manner as in the first example. Mask the gas diffusion substrate and describe the hydrophobic ink (5) using normal carbon black (Ketjen black thermal conductivity 0.1 W / m · K) as the gas diffusion substrate (the one actually used) After that, the masking is changed to a hydrophobic part and carbon black with high thermal conductivity ((graphitized Ketjen black (thermal conductivity 1 W / m · K) is used as a hydrophilic ink) (6) was applied.

ガス拡散基材への塗布方法も、第1実施例と同様に行い、膜電極接合体、評価セルを作製した。なお、空孔径も厚さも第1実施例と同様で、親水性の層および疎水性の層のセパレータ流路方向の長さの比は1:4とした。   The coating method on the gas diffusion substrate was also performed in the same manner as in the first example, and a membrane electrode assembly and an evaluation cell were produced. The pore diameter and thickness were the same as in the first example, and the ratio of the lengths of the hydrophilic layer and the hydrophobic layer in the separator channel direction was 1: 4.

(比較例)
カーボンブラック(熱伝導率0.1W/m・K)に、ケッチェンブラックを用いた以外は、第1実施例と同様にガス拡散層作製し、膜電極接合体、評価セルも同様に作製した。
(Comparative example)
A gas diffusion layer was prepared in the same manner as in Example 1 except that ketjen black was used for carbon black (thermal conductivity 0.1 W / m · K), and a membrane electrode assembly and an evaluation cell were also prepared in the same manner. .

(セル評価)
セルの端子を負荷装置に取り付け、所定の電流負荷に対する電圧を計測した。なお、ガスの加湿方法はバブリング方式とした。
(Cell evaluation)
The terminal of the cell was attached to the load device, and the voltage for a predetermined current load was measured. The gas humidification method was a bubbling method.

第1実施例から第4実施例および比較例で作製したセルの発電評価結果を図.7に示す。なお、電解質膜および触媒層は同一のものを使用した。   The power generation evaluation results of the cells produced in the first to fourth examples and the comparative example are shown in FIG. 7 shows. The same electrolyte membrane and catalyst layer were used.

評価条件は、アノード/カソード=水素/空気、S.R.=1.5/2.5、セル温度70℃で、R.H.=100%/100%である。   Evaluation conditions are anode / cathode = hydrogen / air, S.P. R. = 1.5 / 2.5, cell temperature 70 ° C, R.I. H. = 100% / 100%.

図7より、高加湿条件においては、熱伝導率の小さなカーボンブラックを用いて撥水層を作製した比較例は、高電流密度で電圧が低下した。これは、撥水層中で温度低下が生じ、水蒸気が凝縮し、フラッディング現象が起こりやすくなったためである。これに対し、熱伝導率の大きなカーボンブラックを用いて撥水層を作製した第1実施例は、高電流密度での電圧の低下が少ない。これは、撥水層中での温度低下が小さく、水蒸気が凝縮しにくく、フラッディング現象を抑制しているからである。一方、撥水層に親水処理を施し、かつ、その部位の熱伝導率を大きくした第2実施例は、フラッディング現象が生じにくく、第一実施例と同様に電圧は高い。これは、生成水を触媒層から親水の部位へ誘導し、かつ、温度低下が小さく、高温であるため、水が蒸発しやすく、効率的にフラッディング現象を抑制しているためである。   From FIG. 7, under high humidification conditions, the comparative example in which the water-repellent layer was produced using carbon black having a low thermal conductivity showed a voltage drop at a high current density. This is because the temperature is lowered in the water repellent layer, the water vapor is condensed, and the flooding phenomenon is likely to occur. On the other hand, in the first example in which the water repellent layer is produced using carbon black having a high thermal conductivity, the voltage drop at a high current density is small. This is because the temperature drop in the water repellent layer is small, the water vapor hardly condenses, and the flooding phenomenon is suppressed. On the other hand, in the second embodiment in which the water repellent layer is subjected to a hydrophilic treatment and the thermal conductivity of the portion is increased, the flooding phenomenon hardly occurs and the voltage is high as in the first embodiment. This is because the generated water is guided from the catalyst layer to the hydrophilic portion, and the temperature drop is small and the temperature is high, so that the water easily evaporates and the flooding phenomenon is efficiently suppressed.

また、第3、第4実施例は液水の溜まる部位に積極的に熱伝導性を高めたカーボンを使用した撥水層であり、第1、第2実施例に対して、さらに効率的にフラッディングによる電圧低下が抑制されている。   In addition, the third and fourth embodiments are water-repellent layers using carbon having positively improved thermal conductivity at the portion where liquid water is accumulated, and more efficiently than the first and second embodiments. Voltage drop due to flooding is suppressed.

熱伝導率の違いによる酸化剤極の温度分布を示す概念図である。It is a conceptual diagram which shows the temperature distribution of the oxidizing agent electrode by the difference in thermal conductivity. 第1実施例の構成図である。It is a block diagram of 1st Example. 第2実施例の平面図である。It is a top view of 2nd Example. 第2実施例の断面図である。It is sectional drawing of 2nd Example. 第3実施例の構成図である。It is a block diagram of 3rd Example. 第4実施例の構成図である。It is a block diagram of 4th Example. 発電評価結果を示す図である。It is a figure which shows an electric power generation evaluation result.

符号の説明Explanation of symbols

1…電解質膜
2…カソード触媒層
3…撥水層
4…ガス拡散基材
5…ガス拡散層
6…撥水層中の疎水性の部位
7…撥水層中の親水性かつ高熱伝導性の部位
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Electrolyte membrane 2 ... Cathode catalyst layer 3 ... Water-repellent layer 4 ... Gas diffusion base material 5 ... Gas diffusion layer 6 ... Hydrophobic part in water-repellent layer 7 ... Hydrophilic and high thermal conductivity in water-repellent layer Part

Claims (8)

電解質膜と、前記電解質膜を挟持する1対の電極触媒層と、前記1対の電極触媒層を挟持する1対のガス拡散層と、を有する膜電極接合体において
前記ガス拡散層は、撥水性を有する材料と熱伝導性を有する材料とを含む撥水層と、ガス拡散基材からなり、かつ前記撥水層は前記電極触媒層と前記ガス拡散基材との間に配置されることを特徴とする膜電極接合体。
In a membrane / electrode assembly comprising an electrolyte membrane, a pair of electrode catalyst layers that sandwich the electrolyte membrane, and a pair of gas diffusion layers that sandwich the pair of electrode catalyst layers, the gas diffusion layer is made repellent. A water-repellent layer comprising a water-soluble material and a heat-conductive material; and a gas diffusion base material, and the water-repellent layer is disposed between the electrode catalyst layer and the gas diffusion base material. A membrane electrode assembly characterized by the above.
前記撥水層は、さらに親水性を有する材料を含み、かつ前記親水性を有する材料の層に熱伝導性を有する材料を含む、請求項1に記載の膜電極接合体。   The membrane electrode assembly according to claim 1, wherein the water repellent layer further includes a hydrophilic material, and the hydrophilic material layer includes a material having thermal conductivity. 前記熱伝導性を有する材料は、グラファイト化カーボンである、請求項1または2に記載の膜電極接合体。   The membrane electrode assembly according to claim 1 or 2, wherein the material having thermal conductivity is graphitized carbon. 前記グラファイト化カーボンは、撥水層全体の体積に対して、10〜50vol%の割合で撥水層中に含まれる、請求項3に記載の膜電極接合体。   The membrane electrode assembly according to claim 3, wherein the graphitized carbon is contained in the water-repellent layer at a ratio of 10 to 50 vol% with respect to the volume of the entire water-repellent layer. 前記撥水層において、ガス流路の入り口側に含まれる熱伝導性を有する材料の量が、ガス流路の出口側に含まれる熱伝導性を有する材料の量より少ない、請求項1〜4のいずれか1項に記載の膜電極接合体。   In the water-repellent layer, the amount of the material having thermal conductivity contained on the inlet side of the gas channel is smaller than the amount of the material having thermal conductivity contained on the outlet side of the gas channel. The membrane electrode assembly according to any one of the above. 前記撥水層において、ガス拡散基材側に含まれる熱伝導性を有する材料の量が、電極触媒層側に含まれる熱伝導性を有する材料の量より少ない、請求項1〜5のいずれか1項に記載の膜電極接合体。   6. The water repellent layer according to claim 1, wherein the amount of the thermal conductive material contained on the gas diffusion base material side is less than the amount of the thermal conductive material contained on the electrode catalyst layer side. 2. The membrane electrode assembly according to item 1. ガス拡散基材の少なくとも片面に、撥水性を有する材料と熱伝導性を有する材料とを含む撥水層を設けてなるガス拡散層。   A gas diffusion layer comprising a water repellent layer comprising a water repellent material and a heat conductive material on at least one surface of a gas diffusion base material. 請求項1〜6に記載の膜電極接合体および/または請求項7に記載のガス拡散層を含む燃料電池。   A fuel cell comprising the membrane electrode assembly according to claim 1 and / or the gas diffusion layer according to claim 7.
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