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JP2009277370A - Membrane electrode assembly - Google Patents

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JP2009277370A
JP2009277370A JP2008124814A JP2008124814A JP2009277370A JP 2009277370 A JP2009277370 A JP 2009277370A JP 2008124814 A JP2008124814 A JP 2008124814A JP 2008124814 A JP2008124814 A JP 2008124814A JP 2009277370 A JP2009277370 A JP 2009277370A
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gas diffusion
diffusion layer
layer
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fiber
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JP2008124814A
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Japanese (ja)
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Kazuhiro Taniwaki
和宏 谷脇
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Toyota Motor Corp
Original Assignee
Toyota Motor Corp
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Publication date
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Abstract

【課題】ガス拡散層の層厚さを厚くすることなく、さらには材質そのものを変更することなく、ガス拡散層の性能を高め、燃料電池の発電効率を向上させることができる膜電極接合体を提供する。
【解決手段】電解質膜2の両面21に触媒層3を積層し、触媒層3の両側31に、疎水性樹脂と導電性繊維を含むガス拡散層4Aをさらに積層した膜電極接合体1Aであって、ガス拡散層4Aは、触媒層3の表面に積層された第一のガス拡散層41と、第一のガス拡散層41の表面に積層された第二のガス拡散層42と、有し、第二のガス拡散層42の導電性繊維42bの繊維径D2は、第一のガス拡散層41の導電性繊維42aの繊維径D1よりも大きく、第二のガス拡散層42の導電性繊維42bの長さL2は、第一のガス拡散層41の導電性繊維41bの長さL1よりも長い。
【選択図】図1
A membrane electrode assembly capable of improving the performance of a gas diffusion layer and improving the power generation efficiency of a fuel cell without increasing the thickness of the gas diffusion layer and without changing the material itself. provide.
A membrane electrode assembly 1A in which a catalyst layer 3 is laminated on both surfaces 21 of an electrolyte membrane 2 and a gas diffusion layer 4A containing a hydrophobic resin and conductive fibers is further laminated on both sides 31 of the catalyst layer 3. The gas diffusion layer 4A includes a first gas diffusion layer 41 stacked on the surface of the catalyst layer 3, and a second gas diffusion layer 42 stacked on the surface of the first gas diffusion layer 41. The fiber diameter D2 of the conductive fiber 42b of the second gas diffusion layer 42 is larger than the fiber diameter D1 of the conductive fiber 42a of the first gas diffusion layer 41, and the conductive fiber of the second gas diffusion layer 42 The length L2 of 42b is longer than the length L1 of the conductive fibers 41b of the first gas diffusion layer 41.
[Selection] Figure 1

Description

本発明は、電解質膜の両面に触媒層を積層し、前記触媒層の両側に、疎水性樹脂と導電性繊維を含むガス拡散層をさらに積層した膜電極接合体に係り、特に、ガス拡散層の特性を部分的にコントロールすることが可能な膜電極接合体に関する。   The present invention relates to a membrane electrode assembly in which a catalyst layer is laminated on both surfaces of an electrolyte membrane, and a gas diffusion layer containing a hydrophobic resin and conductive fibers is further laminated on both sides of the catalyst layer, and in particular, the gas diffusion layer The present invention relates to a membrane electrode assembly capable of partially controlling the characteristics of the membrane electrode assembly.

電解質膜を用いた固体高分子型燃料電池は、低温における作動が可能であり、かつ、小型軽量化が可能であるため、自動車などの移動体への適用が検討されている。特に、固体高分子型燃料電池を搭載した燃料電池自動車はエコロジーカーとして社会的な関心が高まっている。   A polymer electrolyte fuel cell using an electrolyte membrane can be operated at a low temperature, and can be reduced in size and weight. Therefore, application to a moving body such as an automobile is being studied. In particular, fuel cell vehicles equipped with polymer electrolyte fuel cells are gaining social interest as ecological cars.

このような固体高分子型燃料電池は、図4に示すように、膜電極接合体(MEA)95を主要な構成要素とし、それを燃料(水素)ガス流路および空気ガス流路を備えたセパレータ96,96で挟持して、単セルと呼ばれる1つの燃料電池90を形成している。膜電極接合体95は、イオン交換膜である電解質膜91の一方側にアノード側の電極(アノード触媒層)93aとアノード側のガス拡散層(アノードガス拡散層)94aを積層し、他方の側にカソード側の電極(触媒層)93bとカソード側のガス拡散層(カソードガスガス拡散層)94bを積層した構造を有する。   As shown in FIG. 4, such a polymer electrolyte fuel cell includes a membrane electrode assembly (MEA) 95 as a main component, and includes a fuel (hydrogen) gas passage and an air gas passage. One fuel cell 90 called a single cell is formed by being sandwiched between separators 96 and 96. The membrane electrode assembly 95 includes an anode side electrode (anode catalyst layer) 93a and an anode side gas diffusion layer (anode gas diffusion layer) 94a laminated on one side of an electrolyte membrane 91 which is an ion exchange membrane, and the other side. The cathode side electrode (catalyst layer) 93b and the cathode side gas diffusion layer (cathode gas diffusion layer) 94b are laminated.

ところで、前記燃料電池において、各電極に設けられたガス拡散層は、一般的に、カーボンペーパーやカーボンクロス等のシート状に成形されたカーボン繊維を基材として用いて、この基材を触媒層に積層することにより形成される。このようなガス拡散層は、酸素ガス及び空気ガスの拡散性能を高めること、電極近傍におけるフラッティングの発生を抑制すること、及び、触媒層からセパレータへの電子の導電性を阻害しない(電気抵抗を下げる)ことの要件が求められる。   By the way, in the fuel cell, the gas diffusion layer provided on each electrode generally uses carbon fibers formed into a sheet shape such as carbon paper or carbon cloth as a base material, and this base material is used as a catalyst layer. It is formed by laminating. Such a gas diffusion layer enhances the diffusion performance of oxygen gas and air gas, suppresses the occurrence of flatting in the vicinity of the electrode, and does not hinder the conductivity of electrons from the catalyst layer to the separator (electric resistance). Is required).

そこで、例えば、前記ガス拡散層に、カーボンなどからなる導電性繊維及びPTFEなどの疎水性樹脂からなる層をさらに設けた膜電極接合体が提案されている(例えば特許文献1参照)。該膜電極接合体は、ガス拡散層に導電性繊維を設けることにより、ガス拡散層の電子導電性を確保することができ、疎水性樹脂はガス拡散層形成部材に撥水性をもたせ、触媒層やガス拡散層内での水分の滞留によるフラッティングの発生を低減することができる。   Therefore, for example, a membrane electrode assembly has been proposed in which a conductive fiber made of carbon or the like and a layer made of a hydrophobic resin such as PTFE are further provided in the gas diffusion layer (see, for example, Patent Document 1). The membrane electrode assembly can ensure the electronic conductivity of the gas diffusion layer by providing conductive fibers in the gas diffusion layer, and the hydrophobic resin provides the gas diffusion layer forming member with water repellency, thereby providing a catalyst layer. Further, it is possible to reduce the occurrence of flatting due to the retention of moisture in the gas diffusion layer.

特開2008−027645号公報JP 2008-027645 A

しかし、特許文献1に記載の膜電極接合体のガス拡散層を用いた場合であっても、酸素ガス及び空気ガスの拡散性能をより高め、電極近傍におけるフラッティングの発生をより軽減しようとした場合には、ガス拡散層の層厚さを厚くすることが成されているが、燃料電池自体の大きさが大きくなってしまう。燃料電池のコンパクト化を図るためには、ガス拡散層の厚さを厚くすることは望ましいことであるとは言えない。   However, even when the gas diffusion layer of the membrane electrode assembly described in Patent Document 1 is used, the diffusion performance of oxygen gas and air gas is further improved, and the occurrence of flatting in the vicinity of the electrode is further reduced. In some cases, the thickness of the gas diffusion layer is increased, but the size of the fuel cell itself is increased. In order to reduce the size of the fuel cell, it is not desirable to increase the thickness of the gas diffusion layer.

また、ガス拡散層を組成する材質を変更し、ガス拡散層の物性そのものを変えることも考えられるが、ガス拡散性能、フラッティング発生の低減、電気抵抗の低下防止のすべてをコントロールすることは容易ではない。   It is also possible to change the material of the gas diffusion layer and change the physical properties of the gas diffusion layer itself, but it is easy to control all of the gas diffusion performance, the occurrence of flatting and the prevention of lowering electrical resistance. is not.

本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、ガス拡散層の層厚さを厚くすることなく、さらには材質そのものを変更することなく、ガス拡散層の性能を高め、燃料電池の発電効率を向上させることができる膜電極接合体の製造方法を提供することにある。   The present invention has been made in view of such problems, and the object of the present invention is to increase the gas diffusion without increasing the thickness of the gas diffusion layer and without changing the material itself. An object of the present invention is to provide a method for producing a membrane electrode assembly capable of improving the performance of a layer and improving the power generation efficiency of a fuel cell.

発明者は、鋭意検討を重ねた結果、ガス拡散層を構成する導電性繊維(炭素繊維)の繊維径及びその長さをコントロールすることで、ガス拡散層に必要な物性である気孔率及び電気抵抗を適宜コントロールすることができるとの新たな知見を得た。   As a result of intensive studies, the inventor has controlled the fiber diameter and length of the conductive fibers (carbon fibers) constituting the gas diffusion layer, so that the porosity and electrical properties necessary for the gas diffusion layer are controlled. A new finding was obtained that the resistance can be appropriately controlled.

すなわち、長さが短く、繊維径が小さい導電性繊維を用いた場合には、拡散層における導電性繊維は密な構造となり、透気性は低下し、電気抵抗値は上がる。この場合、ドライアップ気味のセルに有効である。一方、長さが長く、繊維径が大きい導電性繊維を用いた場合には、拡散層における導電性繊維は粗な構造となり、透気性は向上し、電気抵抗は下がってしまう。この場合には、フラッティング気味のセルに有効である。   That is, when conductive fibers having a short length and a small fiber diameter are used, the conductive fibers in the diffusion layer have a dense structure, the air permeability is lowered, and the electrical resistance value is increased. In this case, it is effective for a dry-up cell. On the other hand, when conductive fibers having a long length and a large fiber diameter are used, the conductive fibers in the diffusion layer have a rough structure, the air permeability is improved, and the electrical resistance is lowered. In this case, it is effective for a cell that seems flat.

本発明は前記新たな知見に基づくものであり、本発明に係る膜電極接合体は、電解質膜の両面に触媒層を積層し、前記触媒層の両側に、疎水性樹脂と導電性繊維を含むガス拡散層をさらに積層した膜電極接合体であって、前記ガス拡散層は、触媒層の表面に積層された第一のガス拡散層と、該第一のガス拡散層の表面に積層された第二のガス拡散層と、を有し、第二のガス拡散層の前記導電性繊維の繊維径は、第一のガス拡散層の前記導電性繊維の繊維径よりも大きく、第二のガス拡散層の前記導電性繊維の長さは、第一のガス拡散層の前記導電性繊維の長さよりも長いことを特徴とする。   This invention is based on the said new knowledge, The membrane electrode assembly which concerns on this invention laminates | stacks a catalyst layer on both surfaces of an electrolyte membrane, and includes hydrophobic resin and electroconductive fiber on both sides of the said catalyst layer. A membrane electrode assembly in which a gas diffusion layer is further laminated, wherein the gas diffusion layer is laminated on a surface of the catalyst layer and a surface of the first gas diffusion layer. A fiber diameter of the conductive fiber of the second gas diffusion layer is larger than a fiber diameter of the conductive fiber of the first gas diffusion layer, and the second gas diffusion layer The length of the conductive fiber of the diffusion layer is longer than the length of the conductive fiber of the first gas diffusion layer.

本発明に係るガス拡散層は、第一及び第二のガス拡散層を有するが、これらのガス拡散層は、いずれも疎水性樹脂と導電性繊維を含むものであり、これらを含むことによりマイクロポーラス層(MPL)となっている。上述した如く、第一のガス拡散層に比べて、繊維径が大きく、繊維長さが長い導電性繊維を有した第二のガス拡散層は、粗な構造となっているため、透気性は高い。さらに、第一のガス拡散層に比べて、第二のガス拡散層は、導電性繊維間に介在する疎水性樹脂との接触面積率も高いので、電気抵抗は小さい。   The gas diffusion layer according to the present invention includes a first gas diffusion layer and a second gas diffusion layer. These gas diffusion layers both contain a hydrophobic resin and conductive fibers, and by containing these, the micro diffusion layer is microscopic. It is a porous layer (MPL). As described above, since the second gas diffusion layer having conductive fibers having a larger fiber diameter and a longer fiber length than the first gas diffusion layer has a rough structure, the gas permeability is high. Furthermore, compared with the first gas diffusion layer, the second gas diffusion layer has a high contact area ratio with the hydrophobic resin interposed between the conductive fibers, and thus the electrical resistance is small.

このような特性を有した第二のガス拡散層が、ガスに接触するセパレータ側に配置されているので、透気性の向上により、ガス拡散性を高めることができ、触媒層に向かうガスの拡散性を向上させることができる。また、第一のガス拡散層に比べて、第二のガス拡散層は排水性を高めることができ、燃料電池のフラッティングの低減を図ることができる。さらに、第二のガス拡散層は、第一のガス拡散層に比べて電気抵抗が小さいので、セパレータに対して好適に電子を導電することができる。このようにして、ガス拡散層の層厚みを厚くすることなく、さらには、その材質を変更することなく、燃料電池の発電効率を高めることができる。   Since the second gas diffusion layer having such characteristics is arranged on the separator side in contact with the gas, the gas diffusivity can be improved by improving the gas permeability, and the gas diffusion toward the catalyst layer can be achieved. Can be improved. In addition, compared with the first gas diffusion layer, the second gas diffusion layer can improve drainage, and can reduce the flatting of the fuel cell. Furthermore, since the second gas diffusion layer has a lower electrical resistance than the first gas diffusion layer, electrons can be suitably conducted to the separator. In this way, the power generation efficiency of the fuel cell can be increased without increasing the thickness of the gas diffusion layer and without changing the material of the gas diffusion layer.

また、別の態様としては、電解質膜の両面に触媒層を積層し、前記触媒層の両側に、疎水性樹脂と導電性繊維を含むガス拡散層をさらに積層した膜電極接合体であって、前記ガス拡散層は、前記触媒層の表面から層厚さ方向に進むに従って、前記導電性繊維の繊維径が大きくなり、かつ、導電性繊維の繊維長さが長くなっていることを特徴とする。   Another embodiment is a membrane electrode assembly in which a catalyst layer is laminated on both sides of an electrolyte membrane, and a gas diffusion layer containing a hydrophobic resin and conductive fibers is further laminated on both sides of the catalyst layer, The gas diffusion layer is characterized in that the fiber diameter of the conductive fiber is increased and the fiber length of the conductive fiber is increased as the gas diffusion layer proceeds from the surface of the catalyst layer in the layer thickness direction. .

本発明によれば、触媒層の層厚さ方向に沿って、導電性繊維の繊維径が大きくなり、さらに繊維長さが長くなるので、拡散層は、触媒層表面近傍においては、より細かい孔を有したマイクロポーラス層を有し、セパレータ近傍では、これよりも粗い孔を有したマイクロポーラス層を有し、触媒層の表面から層厚み方向に向かっての気孔率をあげることができる。この結果として、セパレータ側のガスと接触する部分においては、排水性が高まると共に、触媒層に向かうガスの拡散性を向上させることができる。このようにして、ガス拡散層の層厚みを厚くすることなく、さらには、その材質を変更することなく、燃料電池の発電効率を高めることができる。   According to the present invention, since the fiber diameter of the conductive fibers increases along the layer thickness direction of the catalyst layer, and the fiber length increases, the diffusion layer has finer pores in the vicinity of the catalyst layer surface. In the vicinity of the separator, there is a microporous layer having pores coarser than this, and the porosity from the surface of the catalyst layer toward the layer thickness direction can be increased. As a result, in the portion in contact with the gas on the separator side, the drainage property is enhanced and the diffusibility of the gas toward the catalyst layer can be improved. In this way, the power generation efficiency of the fuel cell can be increased without increasing the thickness of the gas diffusion layer and without changing the material of the gas diffusion layer.

また、本発明に係る膜電極接合体は、表面層として、導電性を有した多孔質の基材層を備えることがより好ましい。本発明によれば、この基材層を設けることにより、製造段階において、基材層の表面に、繊維径及び繊維長さが選定された導電性繊維と、疎水性樹脂からなる粒子を含む溶液を塗布し、これを焼成することにより、ガス拡散層形成部材を製造し、これを、電解質膜の表面の触媒層に容易に積層することができる。   The membrane / electrode assembly according to the present invention more preferably includes a porous base material layer having conductivity as a surface layer. According to the present invention, by providing this base material layer, in the production stage, a solution containing conductive fibers whose fiber diameter and fiber length are selected on the surface of the base material layer and particles made of a hydrophobic resin The gas diffusion layer forming member is manufactured by applying and baking this, and this can be easily laminated on the catalyst layer on the surface of the electrolyte membrane.

また、別の態様として、本発明に係る膜電極接合体は、解質膜の一方の表面にアノード触媒層を積層し、他方の表面にカソード触媒層を積層し、前記アノード触媒層及びカソード触媒層の表面に、疎水性樹脂と導電性繊維を含むアノードガス拡散層及びカソードガス拡散層をさらに積層した膜電極接合体であって、前記カソードガス拡散層の前記導電性繊維の繊維径は、前記アノードガス拡散層の前記導電性繊維の繊維径よりも大きく、前記カソードガス拡散層の前記導電性繊維の長さは、前記アノードガス拡散層の前記導電性繊維の長さよりも長いことがより好ましい。   As another aspect, the membrane electrode assembly according to the present invention comprises an anode catalyst layer laminated on one surface of a denatured membrane, a cathode catalyst layer laminated on the other surface, and the anode catalyst layer and the cathode catalyst. A membrane electrode assembly in which an anode gas diffusion layer and a cathode gas diffusion layer containing a hydrophobic resin and conductive fibers are further laminated on the surface of the layer, and the fiber diameter of the conductive fibers of the cathode gas diffusion layer is: It is larger than the fiber diameter of the conductive fiber of the anode gas diffusion layer, and the length of the conductive fiber of the cathode gas diffusion layer is longer than the length of the conductive fiber of the anode gas diffusion layer. preferable.

本発明によれば、アノードガス拡散層に比べて、繊維径が大きく、繊維長さが長い導電性繊維を有したカソードガス拡散層は、粗な構造となっているため、透気性は高い。さらに、アノードガス拡散層に比べて、カソードガス拡散層は、導電性繊維間に介在する疎水性樹脂との接触面積率も高いので、電気抵抗は小さい。   According to the present invention, the cathode gas diffusion layer having conductive fibers having a larger fiber diameter and a longer fiber length than the anode gas diffusion layer has a rough structure and thus has high air permeability. Furthermore, compared with the anode gas diffusion layer, the cathode gas diffusion layer has a high contact area ratio with the hydrophobic resin interposed between the conductive fibers, and therefore has a small electric resistance.

一方、カソードガス拡散層に比べて、繊維径が小さく、繊維長さが短い導電性繊維を有したアノードガス拡散層は、密な構造となっているため、透気性は低い。これにより、乾燥しやすいアノードガス拡散層及びアノード触媒層の保水性を高めることができる。   On the other hand, the anode gas diffusion layer having conductive fibers having a smaller fiber diameter and a shorter fiber length than the cathode gas diffusion layer has a dense structure and thus has low air permeability. Thereby, the water retention of the anode gas diffusion layer and the anode catalyst layer that are easy to dry can be increased.

このような結果として、カソード側のフラッティングの発生を抑制し、アノード側の保水性を高めてプロトン伝導性を向上させることができるので、燃料電池の発電効率を高めることができる。なお、本発明でいうアノード触媒層及びアノードガス拡散層とは、アノード電極側に形成された触媒層及びガス拡散層のことをいい、カソード触媒層及びカソードガス拡散層とは、カソード電極側に形成された触媒層及びガス拡散層のことをいう。   As a result, it is possible to suppress the occurrence of cathode-side flatting and increase the water retention on the anode side to improve the proton conductivity, thereby improving the power generation efficiency of the fuel cell. In the present invention, the anode catalyst layer and the anode gas diffusion layer refer to the catalyst layer and the gas diffusion layer formed on the anode electrode side, and the cathode catalyst layer and the cathode gas diffusion layer refer to the cathode electrode side. It refers to the formed catalyst layer and gas diffusion layer.

本発明によれば、ガス拡散層の層厚さを厚くすることなく、さらには材質そのものを変更することなく、ガス拡散層の性能を高め、燃料電池の発電効率を向上させることができる。   According to the present invention, the performance of the gas diffusion layer can be improved and the power generation efficiency of the fuel cell can be improved without increasing the thickness of the gas diffusion layer and without changing the material itself.

以下に、図面を参照して、本発明に係る膜電極接合体のいくつかの実施形態に基づいて説明する。   Below, with reference to drawings, it explains based on some embodiments of a membrane electrode assembly concerning the present invention.

図1は、第一実施形態に係る膜電極接合体を説明するための図であり(a)は、膜電極接合体の全体構成図であり、(b)は、(a)のB部拡大図であり、(c)は、炭素繊維を示している。   1A and 1B are diagrams for explaining a membrane electrode assembly according to the first embodiment. FIG. 1A is an overall configuration diagram of the membrane electrode assembly, and FIG. 1B is an enlarged view of a portion B in FIG. It is a figure and (c) has shown carbon fiber.

図1に示すように、本実施形態に係る膜電極接合体1Aは、電解質膜2と、触媒層3,3、ガス拡散層4A,4Aとを有している。電解質膜2は、電解質膜2に含まれる高分子電解質に、イオン交換機能を有するものであり、例えば、フルオロアルキルエーテル側鎖とパーフルオロアルキル主鎖を有するフルオロアルキル共重合体のパーフルオロ系プロトン交換樹脂が好ましく用いられる。例えば、デュポン社製ナフィオン(商標名)、旭化成製アシプレックス(商標名)、旭硝子製フレミオン(商標名)、ジャパンゴアテックス社製ゴア−セレクト(商標名)等が例示され、部分フッ素樹脂では、トリフルオロスチレンスルホン酸の重合体やポリフッ化ビニリデンにスルホン酸基を導入したものなどがある。また、炭化水素系プロトン交換樹脂である、スチレン−ジビニルベンゼン共重合体、ポリイミド系樹脂などにスルホン酸基を導入したものなどがある。これらは燃料電池が用いられる用途や環境に応じて適宜選択されるべきものであるが、パーフルオロ系が燃料電池寿命の点から好ましい。   As shown in FIG. 1, a membrane electrode assembly 1A according to this embodiment includes an electrolyte membrane 2, catalyst layers 3 and 3, and gas diffusion layers 4A and 4A. The electrolyte membrane 2 has an ion exchange function on the polymer electrolyte contained in the electrolyte membrane 2, for example, a perfluoro proton of a fluoroalkyl copolymer having a fluoroalkyl ether side chain and a perfluoroalkyl main chain. Exchange resins are preferably used. For example, Nafion (trade name) manufactured by DuPont, Aciplex (trade name) manufactured by Asahi Kasei, Flemion (trade name) manufactured by Asahi Glass, Gore-Select (trade name) manufactured by Japan Gore-Tex, and the like, Examples thereof include a polymer of trifluorostyrene sulfonic acid and a product obtained by introducing a sulfonic acid group into polyvinylidene fluoride. Further, there are styrene-divinylbenzene copolymer, polyimide resin, etc., which are hydrocarbon proton exchange resins, in which sulfonic acid groups are introduced. These should be appropriately selected according to the use and environment in which the fuel cell is used, but a perfluoro type is preferable from the viewpoint of the life of the fuel cell.

また、この電解質膜2は、電解質のみからなってもよく、上述した電解質を多孔質の撥水性の高分子樹脂シートに含浸させたものであってもよい。このような高分子樹脂補強シートは、電解質膜2の補強材として作用することができ、さらに固体高分子型燃料電池における水の結露と滞留が電極反応物を供給する際の妨げとなり効果的である。特にポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、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)、テトラフルオロエチレン−パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体(PFA)などのフッ素樹脂が高い撥水性を有するため好ましく用いられる。その他、ポリエチレンテレフタレート、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリイミド等の非フッ素系フィルムも用いることができる。   In addition, the electrolyte membrane 2 may be composed only of an electrolyte, or may be one obtained by impregnating a porous water-repellent polymer resin sheet with the electrolyte described above. Such a polymer resin reinforced sheet can act as a reinforcing material for the electrolyte membrane 2, and further, condensation and retention of water in the polymer electrolyte fuel cell hinder the supply of the electrode reactant and is effective. is there. In particular, fluororesins such as polytetrafluoroethylene (PTFE), tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer (FEP), and tetrafluoroethylene-perfluoroalkyl vinyl ether copolymer (PFA) are preferably used because they have high water repellency. It is done. In addition, non-fluorine films such as polyethylene terephthalate, polyethylene, polypropylene, and polyimide can also be used.

次に、この電解質膜2の両面21,21には、触媒層3,3が積層されている。これらの2つ触媒層3は、アノード側の触媒層と、カソード側の触媒層であって、燃料電池の電極に相当するものである。この触媒層3は、白金を触媒とした白金担持カーボンと電解質を含む層である。また、触媒担持導電体として白金担持カーボンを例に挙げたが、触媒は、触媒反応が生じるものであるならば、特に限定されるものではなく、触媒反応における活性化過電圧が小さいことから、金、パラジウム、ルテニウム、イリジウムなどの貴金属触媒が好ましく用いられる。また、これらの貴金属触媒の合金、混合物など、2種以上の元素が含まれていても構わない。さらに、導電体は、電気的に導電可能な物質であれば特に限定されるものではなく、たとえば、オイルファーネスブラック、チャンネルブラック、ランプブラック、サーマルブラック、アセチレンブラックなどのカーボンブラックが、電子伝導性と比表面積の大きさから好ましい。   Next, catalyst layers 3 and 3 are laminated on both surfaces 21 and 21 of the electrolyte membrane 2. These two catalyst layers 3 are a catalyst layer on the anode side and a catalyst layer on the cathode side, and correspond to the electrodes of the fuel cell. The catalyst layer 3 is a layer containing platinum-supported carbon and an electrolyte using platinum as a catalyst. In addition, although platinum-supported carbon is given as an example of the catalyst-supporting conductor, the catalyst is not particularly limited as long as it causes a catalytic reaction, and the activation overvoltage in the catalytic reaction is small. Noble metal catalysts such as palladium, ruthenium and iridium are preferably used. Two or more elements such as alloys and mixtures of these noble metal catalysts may be contained. Furthermore, the conductor is not particularly limited as long as it is an electrically conductive substance. For example, carbon black such as oil furnace black, channel black, lamp black, thermal black, acetylene black, and the like has electronic conductivity. And the size of the specific surface area is preferable.

そして、触媒層の両側31,31には、さらにガス拡散層4A,4Aが形成されている。このガス拡散層4Aは、図1(b)に示すように、触媒層3の表面31に積層された第一のガス拡散層41と、第一のガス拡散層41の表面41Aに積層された第二のガス拡散層42と、を有している。さらに、ガス拡散層4Aは、その表面層として、導電性を有した多孔質の基材層43をさらに備えている。   Gas diffusion layers 4A and 4A are further formed on both sides 31 and 31 of the catalyst layer. As shown in FIG. 1B, the gas diffusion layer 4A is laminated on the first gas diffusion layer 41 laminated on the surface 31 of the catalyst layer 3 and on the surface 41A of the first gas diffusion layer 41. And a second gas diffusion layer 42. Furthermore, the gas diffusion layer 4A further includes a porous base material layer 43 having conductivity as a surface layer.

第一のガス拡散層41と第二のガス拡散層42は、いずれも、炭素繊維と、疎水性樹脂を含んでいる。炭素繊維のほかにも、金属繊維等の繊維を挙げることができ、ガス拡散層4Aの電子導電性を確保することができるのであれば、特に限定されるものではない。また、疎水性樹脂としては、PTFE樹脂、フッ素樹脂等の疎水性を有する樹脂が挙げられ、ガス拡散層に撥水性をもたせ、触媒層やガス拡散層内での水分の滞留によるフラッティングを防止することができるものであれば、特に限定されるものではない。   Each of the first gas diffusion layer 41 and the second gas diffusion layer 42 includes carbon fibers and a hydrophobic resin. In addition to carbon fibers, there can be mentioned fibers such as metal fibers, and there is no particular limitation as long as the electronic conductivity of the gas diffusion layer 4A can be ensured. Hydrophobic resins include those with hydrophobic properties such as PTFE resin, fluororesin, etc., making the gas diffusion layer water-repellent and preventing flooding due to moisture retention in the catalyst layer and gas diffusion layer. If it can do, it will not specifically limit.

図1(c)に示すように、第二のガス拡散層42の炭素繊維42aの繊維径D2は、第一のガス拡散層41の炭素繊維41aの繊維径D1よりも大きく、第二のガス拡散層42の炭素繊維42aの長さL2は、第一のガス拡散層41の炭素繊維41aの長さよりも長い。   As shown in FIG.1 (c), the fiber diameter D2 of the carbon fiber 42a of the 2nd gas diffusion layer 42 is larger than the fiber diameter D1 of the carbon fiber 41a of the 1st gas diffusion layer 41, and 2nd gas The length L2 of the carbon fibers 42a of the diffusion layer 42 is longer than the length of the carbon fibers 41a of the first gas diffusion layer 41.

また、基材層43は、多孔質を有した層であり、繊維状の基材であって、カーボンペーパー、カーボンクロス、カーボン不織布、カーボンフェルト等、シート状に成形されたカーボン繊維からなる多孔質状の層である。   The base material layer 43 is a porous layer and is a fibrous base material made of carbon fibers formed into a sheet shape, such as carbon paper, carbon cloth, carbon non-woven fabric, and carbon felt. It is a quality layer.

特に、基材層43を設けることにより、製造段階において、基材層43に相当する基材の表面に、炭素繊維41aと疎水性樹脂とを含む溶液を塗布し、この塗布表面に炭素繊維41aと疎水性樹脂とを含む溶液をさらに塗布することができる。そして、塗布された基材を焼成して、ガス拡散層形成部材を製造することができる。このガス拡散層形成部材を触媒層3の表面31に載置し、加圧及び加熱により、ガス拡散層4Aを容易に触媒層3の表面に積層することができる。   In particular, by providing the base material layer 43, a solution containing the carbon fiber 41a and the hydrophobic resin is applied to the surface of the base material corresponding to the base material layer 43 in the manufacturing stage, and the carbon fiber 41a is applied to the coating surface. And a solution containing a hydrophobic resin can be further applied. And the apply | coated base material can be baked and a gas diffusion layer forming member can be manufactured. The gas diffusion layer forming member is placed on the surface 31 of the catalyst layer 3, and the gas diffusion layer 4A can be easily laminated on the surface of the catalyst layer 3 by pressurization and heating.

なお、第二のガス拡散層42の繊維径の選定によっては(基材層に比べ、繊維径が同等以上の炭素繊維を選定した場合には)、この基材層43を設けることなく、容易に拡散層4Aを積層することができる。   In addition, depending on selection of the fiber diameter of the second gas diffusion layer 42 (when carbon fiber having a fiber diameter equal to or larger than that of the base material layer is selected), the base material layer 43 is not easily provided. A diffusion layer 4A can be laminated on the substrate.

このようなガス拡散層4Aにおいて、第一のガス拡散層41に比べて、繊維径が大きく、繊維長さが長い炭素繊維42aを有した第二のガス拡散層42は、粗な構造となっているため、第一のガス拡散層41に比べて透気性は高い。さらに、第一のガス拡散層41に比べて、第二のガス拡散層42は、導電性繊維間に介在する疎水性樹脂との接触面積率も高いので、電気抵抗は小さい。   In such a gas diffusion layer 4A, compared with the first gas diffusion layer 41, the second gas diffusion layer 42 having carbon fibers 42a having a large fiber diameter and a long fiber length has a rough structure. Therefore, the gas permeability is higher than that of the first gas diffusion layer 41. Furthermore, compared with the first gas diffusion layer 41, the second gas diffusion layer 42 has a high contact area ratio with the hydrophobic resin interposed between the conductive fibers, and therefore has a small electric resistance.

このような特性を有した第二のガス拡散層42が、ガスに接触するセパレータ(図示せず)側に配置されているので、ガスが流れるガス拡散層4Aの透気性が向上し、触媒層3に向かうガスの拡散性を向上させることができる。   Since the second gas diffusion layer 42 having such characteristics is disposed on the side of the separator (not shown) in contact with the gas, the gas permeability of the gas diffusion layer 4A through which the gas flows is improved, and the catalyst layer The gas diffusivity toward 3 can be improved.

また、第一のガス拡散層41に比べて、第二のガス拡散層42は排水性を高めることができ、燃料電池のフラッティングの低減を図ることができる。さらに、第二のガス拡散層42は、第一のガス拡散層41に比べて電気抵抗が小さいので、セパレータに対して好適に電子を導電することができる。このように構成された膜電極接合体1Aは、ガス拡散層4Aの層厚みを厚くすることなく、さらには、その材質を変更することなく、燃料電池の発電効率を高めることができる。   Moreover, compared with the 1st gas diffusion layer 41, the 2nd gas diffusion layer 42 can improve drainage, and can aim at reduction of the flatting of a fuel cell. Furthermore, since the second gas diffusion layer 42 has a lower electrical resistance than the first gas diffusion layer 41, it can conduct electrons suitably to the separator. The thus configured membrane electrode assembly 1A can increase the power generation efficiency of the fuel cell without increasing the thickness of the gas diffusion layer 4A and without changing the material of the gas diffusion layer 4A.

図2は、本発明の第二の実施形態に係る膜電極接合体の要部拡大図である。図2に示すように、第二実施形態に係る膜電極接合体も、電解質膜の両面に触媒層を積層し、前記触媒層の両側に、疎水性樹脂と導電性繊維を含むガス拡散層をさらに積層した膜電極接合体である。従って、触媒層の構成のみが相違するので、その点のみを以下に説明し、図1と同じ機能を有する構成は、同じ符号を付してその説明の詳細は省略する。   FIG. 2 is an enlarged view of a main part of the membrane electrode assembly according to the second embodiment of the present invention. As shown in FIG. 2, the membrane electrode assembly according to the second embodiment also has a catalyst layer laminated on both sides of the electrolyte membrane, and gas diffusion layers containing hydrophobic resin and conductive fibers on both sides of the catalyst layer. Furthermore, it is a laminated membrane electrode assembly. Therefore, since only the structure of the catalyst layer is different, only that point will be described below, and the structure having the same function as in FIG.

図2に示すように、第二実施形態に係る膜電極接合体1Bは、触媒層3の表面に、ガス拡散層4Bが形成されている。ガス拡散層4Bは、炭素繊維と疎水性樹脂を含むマイクロポーラス層44と、基材層43を有している。このマイクロポーラス層44は、触媒層3の表面から層厚さ方向tに進むに従って、炭素繊維の繊維径が大きくなり、かつ、導電性繊維の繊維長さが長くなっている。   As shown in FIG. 2, in the membrane electrode assembly 1 </ b> B according to the second embodiment, a gas diffusion layer 4 </ b> B is formed on the surface of the catalyst layer 3. The gas diffusion layer 4 </ b> B includes a microporous layer 44 containing carbon fibers and a hydrophobic resin, and a base material layer 43. In the microporous layer 44, the fiber diameter of the carbon fiber increases and the fiber length of the conductive fiber increases as it proceeds from the surface of the catalyst layer 3 in the layer thickness direction t.

このように、膜電極接合体1Bのガス拡散層4Bは、層厚さ方向tに沿って、炭素繊維の繊維径が大きくなり、さらに繊維長さが長くなるので、触媒層近傍においては、より細かい孔を有したマイクロポーラス層を有し、セパレータ近傍では、これよりも粗い孔を有したマイクロポーラス層を有することになる。   Thus, the gas diffusion layer 4B of the membrane electrode assembly 1B has a larger fiber diameter and a longer fiber length along the layer thickness direction t. A microporous layer having fine pores is provided, and in the vicinity of the separator, a microporous layer having coarser pores is provided.

このようにして、触媒層3の表面31から層厚み方向tに向かっての気孔率をあげることができる。この結果として、セパレータ側のガスと接触する部分においては、排水性が高まると共に、触媒層3に向かうガスの拡散性を向上させることができる。   Thus, the porosity from the surface 31 of the catalyst layer 3 toward the layer thickness direction t can be increased. As a result, in the portion that contacts the gas on the separator side, the drainage property is enhanced and the diffusibility of the gas toward the catalyst layer 3 can be improved.

図3は、本発明の第三の実施形態に係る膜電極接合体の模式図である。図3に示すように、第三実施形態に係る膜電極接合体も、電解質膜の両面に触媒層を積層し、前記触媒層の両側に、疎水性樹脂と導電性繊維を含むガス拡散層をさらに積層した膜電極接合体である。従って、触媒層の構成のみが相違するので、その点のみを以下に説明し、図1と同じ機能を有する構成は、同じ符号を付してその説明は省略する。   FIG. 3 is a schematic view of a membrane electrode assembly according to the third embodiment of the present invention. As shown in FIG. 3, the membrane / electrode assembly according to the third embodiment also has a catalyst layer laminated on both surfaces of the electrolyte membrane, and gas diffusion layers containing hydrophobic resin and conductive fibers on both sides of the catalyst layer. Furthermore, it is a laminated membrane electrode assembly. Therefore, since only the structure of the catalyst layer is different, only that point will be described below, and the structure having the same function as in FIG.

図3に示すように、膜電極接合体1Cは、電解質膜2の一方の表面にアノード触媒層3Aが積層されている。また、電解質膜2の他方の表面にカソード触媒層3Bが積層されている。さらに、アノード触媒層3A及びカソード触媒層3Bの表面には、疎水性樹脂と導電性繊維を含むアノードガス拡散層4C及びカソードガス拡散層4Dがさらに積層されている。   As shown in FIG. 3, in the membrane / electrode assembly 1 </ b> C, the anode catalyst layer 3 </ b> A is laminated on one surface of the electrolyte membrane 2. A cathode catalyst layer 3B is laminated on the other surface of the electrolyte membrane 2. Furthermore, an anode gas diffusion layer 4C and a cathode gas diffusion layer 4D containing a hydrophobic resin and conductive fibers are further laminated on the surfaces of the anode catalyst layer 3A and the cathode catalyst layer 3B.

そして、アノードガス拡散層4C及びカソードガス拡散層4Dは、炭素繊維と疎水性樹脂とを有したマクロポーラス層となっており、カソードガス拡散層4Dの炭素繊維の繊維径は、アノードガス拡散層4Cの導電性繊維の繊維径よりも大きい。さらに、カソードガス拡散層4Dの炭素繊維の長さは、アノードガス拡散層4Cの導電性繊維の長さよりも長い。   The anode gas diffusion layer 4C and the cathode gas diffusion layer 4D are macroporous layers having carbon fibers and a hydrophobic resin. The fiber diameter of the carbon fibers in the cathode gas diffusion layer 4D is determined by the anode gas diffusion layer. It is larger than the fiber diameter of 4C conductive fiber. Further, the length of the carbon fiber of the cathode gas diffusion layer 4D is longer than the length of the conductive fiber of the anode gas diffusion layer 4C.

このようにして、アノードガス拡散層4Cに比べて、繊維径が大きく、繊維長さが長い導電性繊維を有したカソードガス拡散層4Dは、アノードガス拡散層4Cに比べて粗な構造となっているため、透気性は高い。さらに、アノードガス拡散層に4C比べて、カソードガス拡散層4Dは、炭素繊維間に介在する疎水性樹脂との接触面積率も高いので、電気抵抗は小さくなる。   In this way, the cathode gas diffusion layer 4D having conductive fibers having a larger fiber diameter and a longer fiber length than the anode gas diffusion layer 4C has a coarser structure than the anode gas diffusion layer 4C. Therefore, the air permeability is high. Furthermore, compared with 4C in the anode gas diffusion layer, the cathode gas diffusion layer 4D has a higher contact area ratio with the hydrophobic resin interposed between the carbon fibers, so that the electric resistance is reduced.

一方、カソードガス拡散層4Dに比べて、繊維径が小さく、繊維長さが短い炭素繊維を有したアノードガス拡散層4Cは、カソードガス拡散層4Dに比べて密な構造となっているため、透気性は低い。これにより、乾燥しやすいアノードガス拡散層4Cの保水性を高めることできる。   On the other hand, the anode gas diffusion layer 4C having carbon fibers with a smaller fiber diameter and shorter fiber length than the cathode gas diffusion layer 4D has a dense structure as compared with the cathode gas diffusion layer 4D. Air permeability is low. Thereby, the water retention of the anode gas diffusion layer 4C which is easy to dry can be increased.

このような結果として、カソード側のフラッティングの発生を抑制し、アノード側の保水性を高めてプロトン伝導性を向上させることができるので、燃料電池の発電効率を高めることができる。   As a result, it is possible to suppress the occurrence of cathode-side flatting and increase the water retention on the anode side to improve the proton conductivity, thereby improving the power generation efficiency of the fuel cell.

以上、本発明の実施の形態を図面を用いて詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における設計変更があっても、それらは本発明に含まれるものである。   As mentioned above, although embodiment of this invention has been explained in full detail using drawing, a concrete structure is not limited to this embodiment, Even if there is a design change in the range which does not deviate from the gist of the present invention. These are included in the present invention.

例えば、第三の実施形態では、ガス拡散層はマイクロポーラス層からなるが、第一及び第二の実施形態の如く、このガス拡散層の表面層としてさらに基材層をさらに備えてもよい。   For example, in the third embodiment, the gas diffusion layer is composed of a microporous layer. However, as in the first and second embodiments, a substrate layer may be further provided as a surface layer of the gas diffusion layer.

第一実施形態に係る膜電極接合体を説明するための図であり(a)は、膜電極接合体の全体構成図であり、(b)は、(a)のB部拡大図であり、(c)は、炭素繊維を示した図。It is a figure for demonstrating the membrane electrode assembly which concerns on 1st embodiment, (a) is a whole block diagram of a membrane electrode assembly, (b) is the B section enlarged view of (a), (C) is the figure which showed carbon fiber. 本発明の第二の実施形態に係る膜電極接合体の要部拡大図。The principal part enlarged view of the membrane electrode assembly which concerns on 2nd embodiment of this invention. 本発明の第三の実施形態に係る膜電極接合体の模式図。The schematic diagram of the membrane electrode assembly which concerns on 3rd embodiment of this invention. 従来の固体高分子電解質型燃料電池(単セル)の一例を説明する模式図。The schematic diagram explaining an example of the conventional solid polymer electrolyte type fuel cell (single cell).

符号の説明Explanation of symbols

2:電解質膜、3:触媒層,3A:アノード触媒層、3B:カソード触媒層、4A,4B:ガス拡散層、4C:アノードガス拡散層、4D:カソードガス拡散層、41:第一のガス拡散層、42:第二のガス拡散層、43:基材層、41a,42a:炭素繊維、44:マイクロポーラス層   2: electrolyte membrane, 3: catalyst layer, 3A: anode catalyst layer, 3B: cathode catalyst layer, 4A, 4B: gas diffusion layer, 4C: anode gas diffusion layer, 4D: cathode gas diffusion layer, 41: first gas Diffusion layer, 42: second gas diffusion layer, 43: substrate layer, 41a, 42a: carbon fiber, 44: microporous layer

Claims (4)

電解質膜の両面に触媒層を積層し、前記触媒層の両側に、疎水性樹脂と導電性繊維を含むガス拡散層をさらに積層した膜電極接合体であって、
前記ガス拡散層は、触媒層の表面に積層された第一のガス拡散層と、該第一のガス拡散層の表面に積層された第二のガス拡散層と、を有し、
前記第二のガス拡散層の前記導電性繊維の繊維径は、前記第一のガス拡散層の前記導電性繊維の繊維径よりも大きく、
前記第二のガス拡散層の前記導電性繊維の長さは、前記第一のガス拡散層の前記導電性繊維の長さよりも長いことを特徴とする膜電極接合体。
A membrane electrode assembly in which a catalyst layer is laminated on both sides of an electrolyte membrane, and a gas diffusion layer containing a hydrophobic resin and conductive fibers is further laminated on both sides of the catalyst layer,
The gas diffusion layer has a first gas diffusion layer laminated on the surface of the catalyst layer, and a second gas diffusion layer laminated on the surface of the first gas diffusion layer,
The fiber diameter of the conductive fiber of the second gas diffusion layer is larger than the fiber diameter of the conductive fiber of the first gas diffusion layer,
The length of the said conductive fiber of said 2nd gas diffusion layer is longer than the length of the said conductive fiber of said 1st gas diffusion layer, The membrane electrode assembly characterized by the above-mentioned.
電解質膜の両面に触媒層を積層し、前記触媒層の両側に、疎水性樹脂と導電性繊維を含むガス拡散層をさらに積層した膜電極接合体であって、
前記ガス拡散層は、該触媒層の表面から層厚さ方向に進むに従って、前記導電性繊維の繊維径が大きくなり、かつ、導電性繊維の繊維長さが長くなっていることを特徴とする膜電極接合体。
A membrane electrode assembly in which a catalyst layer is laminated on both sides of an electrolyte membrane, and a gas diffusion layer containing a hydrophobic resin and conductive fibers is further laminated on both sides of the catalyst layer,
The gas diffusion layer is characterized in that the fiber diameter of the conductive fiber increases and the fiber length of the conductive fiber increases as it proceeds from the surface of the catalyst layer in the layer thickness direction. Membrane electrode assembly.
前記ガス拡散層は、表面層として、導電性を有した多孔質の基材層をさらに備えることを特徴とする請求項1または2に記載の膜電極接合体。   The membrane electrode assembly according to claim 1, wherein the gas diffusion layer further includes a porous base material layer having conductivity as a surface layer. 電解質膜の一方の表面にアノード触媒層を積層し、他方の表面にカソード触媒層を積層し、前記アノード触媒層及びカソード触媒層の表面に、疎水性樹脂と導電性繊維を含むアノードガス拡散層及びカソードガス拡散層をさらに積層した膜電極接合体であって、
前記カソードガス拡散層の前記導電性繊維の繊維径は、前記アノードガス拡散層の前記導電性繊維の繊維径よりも大きく、
前記カソードガス拡散層の前記導電性繊維の長さは、前記アノードガス拡散層の前記導電性繊維の長さよりも長いことを特徴とする膜電極接合体。
An anode catalyst layer is laminated on one surface of the electrolyte membrane, a cathode catalyst layer is laminated on the other surface, and an anode gas diffusion layer containing a hydrophobic resin and conductive fibers on the surfaces of the anode catalyst layer and the cathode catalyst layer. And a membrane electrode assembly in which a cathode gas diffusion layer is further laminated,
The fiber diameter of the conductive fiber of the cathode gas diffusion layer is larger than the fiber diameter of the conductive fiber of the anode gas diffusion layer,
The length of the conductive fiber of the cathode gas diffusion layer is longer than the length of the conductive fiber of the anode gas diffusion layer.
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