JP2007242378A - Gas diffusion layer for fuel cell - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料電池用のガス拡散層(以下、単にGDLとも称する。)、並びにこれを用いた燃料電池用の膜−電極接合体(以下、単にMEAとも称する。)及び燃料電池に関する。 The present invention relates to a gas diffusion layer (hereinafter also simply referred to as GDL) for a fuel cell, a membrane-electrode assembly (hereinafter also simply referred to as MEA) and a fuel cell using the same.
近年、エネルギー・環境問題を背景とした社会的要求や動向と呼応して、常温でも作動して高出力密度が得られる燃料電池が移動体用電源、定置型電源として注目されている。燃料電池は、電極反応による生成物が原理的に水であり、地球環境への悪影響がほとんどないクリーンな発電システムである。特に、電解質に固体高分子電解質を用いた固体高分子型燃料電池は、比較的低温で作動することから、燃料電池自動車から携帯機器(例えば、携帯電話、携帯情報端末、携帯音楽プレイヤ、ノート型パソコンなど)まで幅広い分野での移動体用電源として期待されている。 In recent years, in response to social demands and trends against the background of energy and environmental problems, fuel cells that can operate at room temperature and obtain high output density have attracted attention as mobile power sources and stationary power sources. A fuel cell is a clean power generation system in which the product of an electrode reaction is water in principle and has almost no adverse effect on the global environment. In particular, a solid polymer fuel cell using a solid polymer electrolyte as an electrolyte operates at a relatively low temperature. Therefore, the fuel cell vehicle can be used for portable devices (for example, mobile phones, portable information terminals, portable music players, notebook type). It is expected as a power source for mobile objects in a wide range of fields, including PCs.
こうした固体高分子型燃料電池のGDLは、反応層(電極触媒層)へのガスの供給、排出、電子及び熱の受け渡しの役割を持つ。そのため、固体高分子型燃料電池のGDLでは、こうした役割を達成するのに適している150μm程度のカーボンペーパー又はカーボンクロスが、通常用いている(例えば、特許文献1参照)。
しかしながら、上記特許文献1に記載されているようなGDL用の従来のカーボンペーパー又はカーボンクロスの材料は、カーボン繊維を紙又は布状に加工した物である。当該カーボン繊維の径は10μm程度で該繊維は硬く強靱であるため、固体電解質を突き抜けアノード極(燃料極)とカソード極(空気極)とが短絡する欠点があった。また、GDLとバイポーラプレート等のセパレータとの接触抵抗を下げるため締め付け圧力を上げると脆いために繊維が崩れてしまう欠点もある。 However, the conventional carbon paper or carbon cloth material for GDL as described in Patent Document 1 is obtained by processing carbon fibers into paper or cloth. Since the diameter of the carbon fiber is about 10 μm and the fiber is hard and strong, there is a drawback that the anode (fuel electrode) and the cathode (air electrode) are short-circuited through the solid electrolyte. In addition, there is also a drawback that if the tightening pressure is increased in order to reduce the contact resistance between the GDL and a separator such as a bipolar plate, the fibers are broken because they are brittle.
この突き抜けの心配のないGDLとして、食塩電解の酸素陰極に用いられているように、カーボンブラック粒子とポリテトラフルオロエチレン(以下、PTFEともいう)粒子で構成することができる。しかしながら、この食塩電解の酸素陰極をGDLとして適用しようとした場合には、0.1μm程度の平均空孔(細孔)しか持たないので固体高分子型燃料電池用には空孔径(細孔径)が小さすぎ、ガス拡散性が低すぎるものであった。その結果、かかるGDLを燃料電池に適用した場合には、電池性能が低くなるという問題があった。 The GDL without fear of penetrating can be composed of carbon black particles and polytetrafluoroethylene (hereinafter also referred to as PTFE) particles as used in an oxygen cathode for salt electrolysis. However, when this salt electrolyzed oxygen cathode is applied as GDL, it has only average pores (pores) of about 0.1 μm, so that it has a pore size (pore size) for a polymer electrolyte fuel cell. Was too small and the gas diffusivity was too low. As a result, when such GDL is applied to a fuel cell, there is a problem that the cell performance is lowered.
そこで、本発明の目的は、カーボン繊維によるようなGDL材料による電極間の突き抜けの問題が生じにくく、ガス拡散性の良い固体高分子型燃料電池に使用できるGDLを提供するものである。 Accordingly, an object of the present invention is to provide a GDL that can be used in a polymer electrolyte fuel cell having good gas diffusibility, which is unlikely to cause a problem of penetration between electrodes due to a GDL material such as carbon fiber.
すなわち、本発明は、カーボン粒子および撥水剤粒子からなる比較的小径の貫通孔を無数に持つ多孔体焼結粗粒子が、適度に隙間を持ちつつ前記多孔体焼結粗粒子同士が連なって比較的大径の貫通孔を無数に形成してなることを特徴とする、比較的小径の貫通孔と比較的大径の貫通孔を無数に持つ燃料電池用ガス拡散層により上記目的が達成される。 That is, in the present invention, the porous sintered coarse particles having a myriad of relatively small-diameter through-holes composed of carbon particles and water repellent particles are connected to each other with a moderate gap therebetween. The above object is achieved by a gas diffusion layer for a fuel cell, which has an infinite number of relatively small-diameter through-holes and numerous relatively large-diameter through-holes. The
本発明のGDLによれば、多孔体焼結粗粒子の中のカーボン粒子および/または撥水剤粒子同士の隙間に形成される比較的小さい空孔(小径の貫通孔)と、多孔体焼結粗粒子同士の隙間に形成される比較的大きな空孔(大径の貫通孔)とを有する。このように大小2つの空孔(貫通孔)を持つことにより、水を比較的大きな空孔を通じて速やかに給水・排水することができる。また、ガスについては、水が排水または給水中で比較的大きな空孔(貫通孔)内部を通過中であっても、多孔体焼結粗粒子内部に存在する無数の比較的小さな空孔(貫通孔)を通じてガス拡散(透過)させることができる。そのため、給・排水によりガス拡散経路(貫通孔)が塞がれにくい構造とすることができる。その結果、ガスの拡散が飛躍的に増大するので、当該GDLを用いた燃料電池の性能を格段に向上させることができる。また、多孔体焼結粗粒子は、焼結を行って得られた焼結体由来であるため緻密かつ非常に強固で安定なため、大小いずれの空孔(貫通孔)も潰れにくい構造となっている。そのため、本発明のGDLでは、該GDLを燃料電池に組み込んだ場合の高加圧状態で長期にわたり変形しないので燃料電池の耐久性を大幅に向上することができる点も優れている。 According to the GDL of the present invention, relatively small pores (small-diameter through-holes) formed in gaps between carbon particles and / or water repellent particles in porous sintered coarse particles, and porous sintered It has relatively large holes (large diameter through holes) formed in the gaps between the coarse particles. By having two large and small holes (through holes) in this way, water can be quickly supplied and drained through relatively large holes. As for gas, countless relatively small pores (penetration) existing inside porous sintered coarse particles even when water is passing through relatively large pores (through holes) in drainage or feed water. Gas diffusion (permeation). Therefore, a structure in which the gas diffusion path (through hole) is not easily blocked by supply / drainage can be obtained. As a result, gas diffusion increases dramatically, and the performance of the fuel cell using the GDL can be significantly improved. In addition, since the porous sintered coarse particles are derived from a sintered body obtained by sintering, they are dense, extremely strong and stable, so that any pores (through holes), both large and small, are not easily crushed. ing. Therefore, the GDL of the present invention is also excellent in that the durability of the fuel cell can be greatly improved because it is not deformed over a long period of time in a high pressure state when the GDL is incorporated in a fuel cell.
本発明に係るGDLは、カーボン粒子および撥水剤粒子からなる比較的小径の貫通孔を無数に持つ多孔体焼結粗粒子が、適度に隙間を持ちつつ前記多孔体焼結粗粒子同士が連なって比較的大径の貫通孔を無数に形成してなることを特徴とする、比較的小径の貫通孔と比較的大径の貫通孔を無数に持つGDLである。 In the GDL according to the present invention, the porous sintered coarse particles having a myriad of relatively small-diameter through holes made of carbon particles and water repellent particles are connected to each other with moderate gaps. The GDL has an infinite number of through holes having a relatively small diameter and an infinite number of through holes having a relatively large diameter.
別言すれば、多孔体焼結粗粒子を用いて構成された燃料電池用ガス拡散層であって、前記多孔体焼結粗粒子が、カーボン粒子と撥水剤粒子とを用いて形成されており、前記カーボン粒子および/または撥水剤粒子同士の隙間に多数形成される空孔の平均孔径が、前記多孔体焼結粗粒子同士の隙間に多数形成される空孔の平均孔径より小さいことを特徴とするものであるともいえる。また、本発明に係る燃料電池用膜−電極接合体(MEA)は、本発明のGDLを使用したことを特徴とするものであり、本発明に係る燃料電池は、本発明のMEAを使用したことを特徴とするものである。なお、本発明では、MEAの構成部材に、GDLを含めるものとする。 In other words, a fuel cell gas diffusion layer configured using porous sintered coarse particles, wherein the porous sintered coarse particles are formed using carbon particles and water repellent particles. And the average pore diameter of a large number of pores formed in the gaps between the carbon particles and / or the water repellent particles is smaller than the average pore diameter of the pores formed in the gaps between the porous sintered coarse particles. It can be said that it is characterized by. Moreover, the membrane-electrode assembly (MEA) for a fuel cell according to the present invention is characterized by using the GDL of the present invention, and the fuel cell according to the present invention uses the MEA of the present invention. It is characterized by this. In the present invention, GDL is included in the constituent members of the MEA.
本発明のGDLでは、上記したように多孔体焼結粗粒子の中のカーボン粒子および/または撥水剤粒子同士の隙間に形成される比較的小さい空孔(平均孔径0.2μm以下の比較的小径の貫通孔)と、前記多孔体焼結粗粒子同士の間に形成される比較的大きな空孔(平均孔径0.5μm以上の比較的大径の貫通孔)を無数に持つ。これにより、比較的小さな小径の貫通孔は主にガスの透過、比較的大きな大径の貫通孔は主に水の透過に寄与させることができる。また、多孔体焼結粗粒子同士の間に形成される比較的大きな空孔を通じて水を容易に供給・排水させることができ、なおかつ比較的小さな空孔と比較的大きな空孔の双方を通じてガスについても容易に拡散(透過)させることができる。そのため、本発明のGDLでは、ガスの拡散が飛躍的に増大するので、当該GDLを用いた燃料電池の性能を格段に向上させることができる。また、多孔体焼結粗粒子という粒子物(縦横比か小さいもの)を用いて構成されているため、カーボン繊維(縦横比か非常に大きいもの)によるようなGDL材料による電極間の突き抜けの問題が生じにくい構造(構成)とすることもできる。また、本発明のGDLを構成する多孔体焼結粗粒子は、撥水剤をフィブリル化しない条件で製造しているため、緻密かつ非常に強固で安定なため、大小いずれの空孔(貫通孔)も潰れにくい構造となっている。そのため、本発明のGDLを燃料電池に組み込んだ場合の高加圧状態で長期にわたり変形しないので、燃料電池の耐久性を大幅に向上することができる点も優れている。なお、上記した食塩電解の酸素陰極に用いられているようなGDLでは、カーボンブラック粉末とPTFE粒子を分散させた分散液を濾過するためにイソプロピルアルコールで凝集させる、このときPTFE粒子同士が集合し、フィブリル化の基が作られる。濾過物は乾燥後、ソルベントナフサを加えられ、混練、ロール工程で剪断力が加わりPTFEが容易にフィブリル化する。ソルベントナフサが除去された大きな穴(空孔)は、ホットプレス時の加温、加圧下で潰れてしまう。そのため、平均空孔(細孔)が0.1μm程度と比較的狭い空孔しかなかったために、当該狭い空孔内への水(生成水など)の給・排水しにくく、該空孔内を給・排水移動する際に狭い空孔内を塞ぐことになり、ガス拡散に利用できる空孔(経路)が減少し、GDL全体のガス拡散性が十分でなく、低すぎる結果となっていたといえる。その結果、かかるGDLを燃料電池に適用した場合には、電池性能が低くなるという問題があった。 In the GDL of the present invention, as described above, relatively small pores (with an average pore diameter of 0.2 μm or less) formed in the gaps between the carbon particles and / or the water repellent particles in the porous sintered coarse particles. A small-diameter through hole) and a relatively large number of relatively large pores (a relatively large through-hole having an average pore diameter of 0.5 μm or more) formed between the porous sintered coarse particles. Thereby, a relatively small small-diameter through-hole can mainly contribute to gas permeation, and a relatively large large-diameter through-hole can mainly contribute to water permeation. In addition, water can be easily supplied and drained through relatively large pores formed between the porous sintered coarse particles, and gas can be passed through both relatively small and relatively large pores. Can be easily diffused (transmitted). Therefore, in the GDL of the present invention, gas diffusion increases dramatically, so that the performance of a fuel cell using the GDL can be significantly improved. In addition, because it is composed of porous sintered coarse particles (thickness or aspect ratio is small), there is a problem of penetration between electrodes due to GDL material such as carbon fibers (thickness or aspect ratio is very large). It can also be set as the structure (structure) which is hard to produce. In addition, since the porous sintered coarse particles constituting the GDL of the present invention are manufactured under the condition that the water repellent is not fibrillated, the porous sintered coarse particles are dense, extremely strong, and stable. ) Also has a structure that is not easily crushed. Therefore, since the GDL of the present invention is not deformed for a long time in a high pressure state when the GDL is incorporated in a fuel cell, the durability of the fuel cell can be greatly improved. In addition, in GDL used for the oxygen cathode of the above-mentioned salt electrolysis, the dispersion liquid in which carbon black powder and PTFE particles are dispersed is aggregated with isopropyl alcohol to filter. At this time, PTFE particles gather together. , The basis for fibrillation is created. Solvent naphtha is added to the filtrate after drying, and shear force is applied in the kneading and rolling steps, so that PTFE is easily fibrillated. Large holes (holes) from which the solvent naphtha has been removed are crushed under heating and pressure during hot pressing. Therefore, since the average pores (pores) were only about 0.1 μm and relatively narrow pores, it was difficult to supply and drain water (product water, etc.) into the narrow pores. Narrow pores were blocked when moving water supply and drainage, and the number of pores (paths) that can be used for gas diffusion decreased, and the gas diffusivity of the entire GDL was not sufficient and it was said that the results were too low. . As a result, when such GDL is applied to a fuel cell, there is a problem that the cell performance is lowered.
以下、図面を用いて本発明で用いられうる燃料電池について説明する。図1は、本発明の構成を有するGDLを使用した燃料電池の基本構成(単セル構成)を模式的に表した断面概略図である。本発明はこれに限定されない。図2Aは、本発明のGDLを使用したMEAの基本構成を模式的に表した断面概略図である。図2Bは、図2AのGDLを構成する多孔体焼結粗粒子及び多孔体焼結粗粒子同士の間に形成される比較的大きな空孔(大径貫通孔)の様子が分かるように、GDLの一部を拡大して模式的に表した概略図である。図2Cは、図2Bの多孔体焼結粗粒子を構成するカーボン粒子と撥水剤粒子、並びにカーボン粒子および/または撥水剤粒子同士の間に形成される比較的小さな空孔(小径貫通孔)の様子が分かるように、1つの多孔体焼結粗粒子を拡大して模式的に表した概略図である。図2Dは、基材と本発明の構成を有するカーボン粒子層(MIL)からなるGDLを使用したMEAの基本構成を模式的に表した断面概略図である。 Hereinafter, fuel cells that can be used in the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a schematic cross-sectional view schematically showing a basic configuration (single cell configuration) of a fuel cell using a GDL having the configuration of the present invention. The present invention is not limited to this. FIG. 2A is a schematic cross-sectional view schematically showing a basic configuration of an MEA using the GDL of the present invention. FIG. 2B shows the GDL in FIG. 2A and the relatively large pores (large-diameter through holes) formed between the porous sintered coarse particles and the porous sintered coarse particles. It is the schematic which expanded and represented typically a part of. 2C shows carbon particles and water repellent particles that constitute the porous sintered coarse particles of FIG. 2B, and relatively small pores (small-diameter through-holes) formed between the carbon particles and / or the water repellent particles. It is the schematic which expanded and typically represented one porous body sintered coarse particle so that the mode of) might be understood. FIG. 2D is a schematic cross-sectional view schematically showing the basic configuration of MEA using GDL composed of a base material and a carbon particle layer (MIL) having the configuration of the present invention.
図1において燃料電池(単セル)10は、電解質膜11の両側に、アノード側触媒層12aとカソード側触媒層12bとがそれぞれ対向して配置されている。さらにアノード側触媒層12aとカソード側触媒層12bの両側(外側)に、アノード側GDL13aおよびカソード側GDL13bとがそれぞれ対向して配置され、MEA14を構成している。この各GDL13a、13bの両側(外側)にアノード及びカソードパレータ15a、15bが配置されている。該セパレータ15a、15bの内部にはガス流路(溝)16a、16bが設けられている。このガス流路(溝)16a、16bを通じて、水素含有ガス(例えば、H2ガスなど)及び酸素含有ガス(例えば、Airなど)がアノード側及びカソード側のGDL13a、13bを通して触媒層12a、12bにそれぞれ供給される。さらに、ガスが外部へ漏洩することを防止するために、電解質膜11の外周領域とセパレータ15a、15bとの間にガスケット17がそれぞれ配置されている。 In FIG. 1, a fuel cell (single cell) 10 has an anode-side catalyst layer 12 a and a cathode-side catalyst layer 12 b facing each other on both sides of an electrolyte membrane 11. Further, the anode-side GDL 13a and the cathode-side GDL 13b are respectively arranged on both sides (outside) of the anode-side catalyst layer 12a and the cathode-side catalyst layer 12b so as to constitute the MEA 14. Anode and cathode parators 15a and 15b are arranged on both sides (outside) of the GDLs 13a and 13b. Gas flow paths (grooves) 16a and 16b are provided inside the separators 15a and 15b. Through the gas flow paths (grooves) 16a and 16b, a hydrogen-containing gas (for example, H 2 gas) and an oxygen-containing gas (for example, Air) are passed to the catalyst layers 12a and 12b through the anode-side and cathode-side GDLs 13a and 13b. Supplied respectively. Further, in order to prevent the gas from leaking to the outside, gaskets 17 are respectively disposed between the outer peripheral region of the electrolyte membrane 11 and the separators 15a and 15b.
以下、本発明の特徴部分であるGDL、更にこれを用いてなる固体高分子形用燃料電池につき、構成要件ごとに説明する。 Hereinafter, the GDL which is a characteristic part of the present invention and the solid polymer fuel cell using the same will be described for each component.
(1)GDL13
図1、2Aに示すように、触媒層12に隣接するようにGDL13を配置することにより、触媒層12、更には電解質膜11が均一に加湿されて、高い水素イオン伝導性を発現することができる。詳しくは、カソード側GDL13bでは、酸化剤ガスを連続的に供給することができ、カソード側の化学反応をスムーズに行うことができ、さらに、化学反応により発生した水を分散させて触媒活性の低下を防止させることができる。アノード側GDL13aでは、水素含有ガスを連続的に供給することができ、アノード側の化学反応をスムーズに行うことができる。GDL13は、アノード側及びカソード側の両方に配置してもよいし、アノード側またはカソード側のどちらか片面にのみ配置してもよい。好ましくは、図1、2Aにあるように、アノード側及びカソード側の両方に配置するのが望ましい。
(1) GDL13
As shown in FIGS. 1 and 2A, by disposing the GDL 13 so as to be adjacent to the catalyst layer 12, the catalyst layer 12 and further the electrolyte membrane 11 can be uniformly moistened to express high hydrogen ion conductivity. it can. Specifically, the cathode side GDL 13b can continuously supply the oxidant gas, can smoothly perform the chemical reaction on the cathode side, and further disperse the water generated by the chemical reaction to reduce the catalytic activity. Can be prevented. In the anode side GDL 13a, the hydrogen-containing gas can be continuously supplied, and the chemical reaction on the anode side can be performed smoothly. The GDL 13 may be disposed on both the anode side and the cathode side, or may be disposed on only one side of the anode side or the cathode side. Preferably, as shown in FIGS. 1 and 2A, they are arranged on both the anode side and the cathode side.
本発明のGDL13においては、図2B、2Cに示すように、多孔体焼結粗粒子21を用いて構成されたものであって、前記多孔体焼結粗粒子21が、カーボン粒子211と撥水剤粒子212とを用いて形成されている。そして、前記カーボン粒子211および/または撥水剤粒子212同士の間に形成される空孔(小径貫通孔)213が、前記多孔体焼結粗粒子21同士の間に形成される空孔(大径貫通孔)22より小さいことを特徴とするものである。 In the GDL 13 of the present invention, as shown in FIGS. 2B and 2C, the porous sintered coarse particles 21 are composed of the carbon sintered particles 21 and the water repellent particles 21. It is formed using the agent particles 212. Then, pores (small diameter through holes) 213 formed between the carbon particles 211 and / or the water repellent particles 212 are formed into pores (large large pores) formed between the porous sintered coarse particles 21. The diameter is smaller than 22).
ここで、多孔体焼結粗粒子21は、焼結体であり、焼結時にPTFE等の撥水剤粒子212が溶融しバインダとして作用し、カーボン粒子211および/または撥水剤粒子212同士が、相互に接合(結着)した構造となっている。ただし、焼結時にせんだん応力がかからないので、撥水剤粒子212はフィブリル化せず粒子形態のまま、多孔体焼結粗粒子21が形成されている。そして、カーボン粒子211および/または撥水剤粒子212同士の間に生じる隙間が無数(多数)の空孔(小径貫通孔)213を形成している。即ち、多孔体焼結粗粒子21は、無数の小径貫通孔213を有する焼結多孔体となっている。かかる多孔体焼結粗粒子23の空孔(小径貫通孔)213の孔径は小さく、水分不透過でかつガス透過し得るサイズの細孔領域を形成することができるのが望ましいものである。 Here, the porous sintered coarse particles 21 are sintered bodies, and the water repellent particles 212 such as PTFE melt and act as a binder at the time of sintering, so that the carbon particles 211 and / or the water repellent particles 212 are bonded to each other. The structure is joined (bound) to each other. However, since no stress is applied at the time of sintering, the water-repellent particles 212 are not fibrillated and the porous sintered coarse particles 21 are formed in the form of particles. In addition, innumerable (many) voids (small-diameter through-holes) 213 are formed between the carbon particles 211 and / or the water repellent particles 212. That is, the porous sintered coarse particles 21 are sintered porous bodies having innumerable small diameter through holes 213. It is desirable that the pores (small-diameter through-holes) 213 of the porous sintered coarse particles 23 have a small pore diameter and can form a pore region having a size that is impermeable to moisture and gas permeable.
またGDL13は、成形体であり、多孔体焼結粗粒子21を加温、加圧下で成形時に、各多孔体焼結粗粒子21表面にある撥水剤粒子212が溶融しバインダとして作用し、多孔体焼結粗粒子21同士が、相互に接合(結着)した構造となっている。なお、成形時にせん断応力が加えられても、撥水剤粒子の集合体が形成されていないので多孔体焼結粗粒子21は非常に強固で変形しにくい。そして、多孔体焼結粗粒子21粒子同士の間に生じる隙間が無数(多数)の空孔(大径貫通孔)22を形成している。即ち、GDL13は大小2つの空孔(小径貫通孔)213及び空孔(大径貫通孔)22を有する多孔成形体となっている。かかる多孔体焼結粗粒子21間の空孔(大径貫通孔)22の孔径は、空孔(小径貫通孔)213よりも大きく、水分及びガス透過し得るサイズの空孔領域を形成することができるのが望ましいものである。 GDL 13 is a molded body, and when the porous sintered coarse particles 21 are heated and molded under pressure, the water repellent particles 212 on the surface of each porous sintered coarse particle 21 melt and act as a binder. The porous sintered coarse particles 21 have a structure in which they are joined (bound) to each other. Even if shear stress is applied during molding, the aggregate of water repellent particles is not formed, so the porous sintered coarse particles 21 are very strong and difficult to deform. And the clearance gap which arises between 21 porous porous sintered coarse particles 21 particle | grains forms innumerable (large number) void | hole (large diameter through-hole) 22. FIG. That is, the GDL 13 is a porous molded body having two large and small holes (small diameter through holes) 213 and holes (large diameter through holes) 22. The pores (large-diameter through-holes) 22 between the porous sintered coarse particles 21 are larger than the pores (small-diameter through-holes) 213 and form a pore region having a size that allows moisture and gas to pass therethrough. It is desirable to be able to.
上記したように、本発明のGDL13は、硬い緻密な多孔体焼結粗粒子21同士が適度な隙間(大径貫通孔)22を持って連なった構造を有している。図3は、本発明のGDLを構成する多孔体焼結粗粒子同士の連なりの様子を表したGDLの切断面の走査型電子顕微鏡写真である。図3Aは、平均粒径150μmの多孔体焼結粗粒子により形成されたGDLの切断面の走査型電子顕微鏡写真であり、図3Bは、平均粒径250μmの多孔体焼結粗粒子により形成されたGDLの切断面の走査型電子顕微鏡写真である。 As described above, the GDL 13 of the present invention has a structure in which hard dense porous sintered coarse particles 21 are connected with an appropriate gap (large diameter through hole) 22. FIG. 3 is a scanning electron micrograph of a cut surface of GDL showing a state of continuous porous sintered coarse particles constituting the GDL of the present invention. FIG. 3A is a scanning electron micrograph of a cut surface of GDL formed by porous sintered coarse particles having an average particle diameter of 150 μm, and FIG. 3B is formed by porous sintered coarse particles having an average particle diameter of 250 μm. It is the scanning electron micrograph of the cut surface of GDL.
本発明のGDLでは、多孔体焼結粗粒子がこの粗粒子に最近接している隣の該粗粒子と相互に接合した構造を有していることが望ましい。これら多孔体焼結粗粒子間の相互接合の様子は、図3A、Bに示すように、いずれも多孔体焼結粗粒子同士が、乱積み、玉石谷積み、玉石布積みの如く、該粒子間に隙間を持ちつつ石垣状に連なって接合した構造(以下、石垣構造ともいう)を有しているのが望ましい。こうした石垣構造は、硬い緻密な焼結体を粉砕して得られる多孔体焼結粗粒子21が石垣石のような形状に粉砕されるためと考えられる。したがって、本発明のGDLでは、硬い緻密な焼結体を粉砕して得られる多孔体焼結粗粒子21が丸みを帯びて球状になるよう粉砕すれば、図2Bに示すように球状の多孔体焼結粗粒子同士が連なって接合した構造とすることも可能である。 In the GDL of the present invention, it is desirable that the porous sintered coarse particles have a structure in which the coarse particles adjacent to the coarse particles are in close contact with each other. As shown in FIGS. 3A and 3B, the state of mutual bonding between these porous sintered coarse particles is as follows. It is desirable to have a structure (hereinafter also referred to as a stone wall structure) joined in a stone wall shape with a gap in between. Such a stone wall structure is considered to be because the porous sintered coarse particles 21 obtained by pulverizing a hard dense sintered body are pulverized into a shape like a stone wall stone. Therefore, in the GDL of the present invention, if the porous sintered coarse particles 21 obtained by pulverizing a hard dense sintered body are pulverized so as to be rounded and spherical, a spherical porous body as shown in FIG. 2B is obtained. It is also possible to have a structure in which sintered coarse particles are joined together.
なお、上記石垣構造(石積構造)には、大きく分けて乱積み、谷積み、布積みの3種類ある。このうち本発明のGDLでは、図3A、Bのように、GDL表面の電子顕微鏡写真に表される多孔体焼結粗粒子同士の連なり方が、これら多孔体焼結粗粒子をいわば石に見立てた場合に、石垣(石積)における乱積み構造、玉石谷積み構造、玉石布積み構造のように、いずれも石同士の間に隙間が存在する石垣構造(石積構造)を有しているのが望ましいものである。図4A〜4Cは、実際の石垣(石積)における乱積み構造、玉石谷積み構造、玉石布積み構造モデルを模式的に表した概略図である。なお、図4D〜4Hに示すように、石垣(石積)における整層積み、乱層積み、乱整層積み、切石布積み、切石乱積みの如く、多孔体焼結粗粒子同士が、該粒子間に隙間を持たないように石垣状に連なって接合した構造は、本発明でいう、石垣構造には含めないものとする。本発明では、図4Aの乱積みの石垣構造が作りやすく、得られやすいといえる(図3A、Bで実際に得られた石垣構造でもある。)。 The stone wall structure (masonry structure) is roughly divided into three types: overloading, valley stacking, and cloth stacking. Among these, in the GDL of the present invention, as shown in FIGS. 3A and 3B, the way in which the porous sintered coarse particles are connected to each other shown in the electron micrograph on the surface of the GDL is considered to be like a stone. If there is a stone wall structure (masonry structure), there is a stone wall structure (masonry structure) where there is a gap between the stones, such as an overlaid structure, a cobblestone valley structure, and a cobblestone structure. Is desirable. 4A to 4C are schematic views schematically showing a random stacking structure, a cobblestone stacking structure, and a cobblestone stacking structure model in an actual stone wall (masonry). In addition, as shown to FIGS. 4D-4H, porous sintered coarse particle | grains are this particle | grains like stratified stacking in a stone wall (masonry), turbulent layer stacking, turbulent layer stacking, quarry cloth piling, and quarry stone pileup. A structure joined in a stone wall shape so as not to have a gap in between is not included in the stone wall structure referred to in the present invention. In the present invention, it can be said that the overlaid stone wall structure of FIG. 4A is easy to make and can be easily obtained (it is also the stone wall structure actually obtained in FIGS.
本発明のGDLにおいて、カーボン粒子211と撥水剤粒子212とを用いて形成された多孔体焼結粗粒子21による構成としたのは、第1に、カーボン繊維によるようなGDL材料による電極間の突き抜けの問題が生じにくい構成とすることができるためである。第2に、カーボン粒子211と撥水剤粒子212を焼結し微粉砕して得られる多孔体焼結粗粒子21は、焼結体であるため緻密かつ非常に強固で安定なため、大小いずれの空孔(貫通孔)22、213も潰れにくい構造を実現することができる。かかる構造のGDLを燃料電池に組み込んだ場合に、当該GDLは高加圧状態で長期にわたり変形しないので燃料電池の耐久性を大幅に向上するのに貢献することができるためである。 In the GDL of the present invention, the porous sintered coarse particles 21 formed using the carbon particles 211 and the water repellent particles 212 are firstly arranged between the electrodes made of a GDL material such as carbon fibers. This is because it is possible to achieve a configuration in which the problem of punching through hardly occurs. Secondly, the porous sintered coarse particles 21 obtained by sintering and finely pulverizing the carbon particles 211 and the water repellent particles 212 are dense, very strong, and stable because they are sintered bodies. The holes (through-holes) 22 and 213 can also have a structure that is not easily crushed. This is because when a GDL having such a structure is incorporated into a fuel cell, the GDL does not deform over a long period of time under a high pressure, and thus can contribute to greatly improving the durability of the fuel cell.
以下、GDLを構成する多孔体焼結粗粒子について説明する。 Hereinafter, the porous sintered coarse particles constituting the GDL will be described.
前記多孔体焼結粗粒子21は、上記したように硬い緻密な焼結体を粉砕して得られるものであり、引っ張り強度が20kgf/cm2以上、好ましくは20〜40kgf/cm2であり、破断変形率が20%以下、好ましくは15%以下、より好ましくは5〜10%の範囲であるのが望ましい。ここで、多孔体焼結粗粒子21の引っ張り強度が20kgf/cm2以上であれば、大径孔が潰れない。かかる粒子21同士を適度な隙間を持って連ねることで形成される小さい空孔213と大きな空孔22が、製造過程や燃料電池内で加温、加圧状態におかれても潰れにくい粒子の内部構造及び粒子間構造を提供することができる。多孔体焼結粗粒子21の破断変形率が20%以下であれば、成型後シート(GDL)の形状安定性に優れ、取り扱い性に優れる。 The porous body sintered coarse particles 21 are those obtained by pulverizing a hard dense sintered body as described above, a tensile strength of 20 kgf / cm 2 or more, preferably 20~40kgf / cm 2, It is desirable that the fracture deformation rate is 20% or less, preferably 15% or less, more preferably 5 to 10%. Here, if the tensile strength of the porous sintered coarse particles 21 is 20 kgf / cm 2 or more, the large-diameter holes are not crushed. The small cavities 213 and the large cavities 22 formed by connecting the particles 21 with appropriate gaps are particles that are not easily crushed even if they are heated and pressurized in the manufacturing process or in the fuel cell. Internal structures and interparticle structures can be provided. If the fracture deformation rate of the porous sintered coarse particles 21 is 20% or less, the shape stability of the post-molding sheet (GDL) is excellent and the handleability is excellent.
前記多孔体焼結粗粒子21の平均粒径は、多孔体焼結粗粒子21同士の隙間に生じる空孔(貫通孔)22が所望の大きさ(詳しくは水分及びガス透過し得る範囲、具体的には0.5μm以上)となるように、適宜決定すればよいい。具体的には、前記多孔体焼結粗粒子の平均粒径が、1〜500μm、好ましくは5〜200μm、より好ましくは5〜100μmの範囲である。このように多孔体焼結粗粒子のサイズ違いで比較的大きなサイズの貫通孔(空孔)の径、分布数を、本発明の作用効果を有効に奏するように制御することができるものである。こうした比較的大きなサイズの貫通孔のサイズ、分布数の変更により、例えば、水の透過性を有効且つ効果的に制御することができる点で優れている。多孔体焼結粗粒子の平均粒径が1μm以上であれば、液水を容易に通過せしめる比較的大きな空孔を得ることが出来る。また、多孔体焼結粗粒子の平均粒径が500μm以下であれば、成膜が容易となる。 The average particle diameter of the porous sintered coarse particles 21 is such that the pores (through holes) 22 generated in the gaps between the porous sintered coarse particles 21 have a desired size (specifically, a range in which moisture and gas can permeate). In other words, it may be appropriately determined so as to be 0.5 μm or more. Specifically, the average particle diameter of the porous sintered coarse particles is in the range of 1 to 500 μm, preferably 5 to 200 μm, more preferably 5 to 100 μm. Thus, the diameter and the number of distributions of relatively large through-holes (holes) can be controlled depending on the size of the porous sintered coarse particles so that the effects of the present invention can be effectively achieved. . By changing the size and the number of distributions of such relatively large through-holes, for example, the water permeability can be effectively and effectively controlled. If the average particle diameter of the porous sintered coarse particles is 1 μm or more, relatively large pores that allow liquid water to pass through can be obtained. Moreover, if the average particle diameter of the porous sintered coarse particles is 500 μm or less, film formation is facilitated.
また、大小2つの空孔の大きさとしては、上記したように、ガス透過性を高めることができることが望ましく、かかる観点から前記カーボン粒子および/または撥水剤粒子同士間に形成される比較的小さな空孔(小径貫通孔)は、平均孔径が0.2μm以下、好ましくは0.05〜0.2μm、より好ましくは0.07〜0.1μmの小径貫通孔を多数(無数)に有するのが望ましい。一方、前記多孔体焼結粗粒子同士間に形成される比較的大きな空孔は、平均孔径が0.5μm以上、好ましくは0.5〜100μm、より好ましくは1〜50μmの大径貫通孔を多数(無数)有するのが望ましい。 In addition, as described above, it is desirable that the size of the two large and small pores can improve the gas permeability. From such a viewpoint, it is relatively easy to form the carbon particles and / or the water repellent particles. The small holes (small-diameter through holes) have a large number (small number) of small-diameter through-holes having an average pore diameter of 0.2 μm or less, preferably 0.05 to 0.2 μm, more preferably 0.07 to 0.1 μm. Is desirable. On the other hand, relatively large pores formed between the porous sintered coarse particles have large-diameter through-holes having an average pore diameter of 0.5 μm or more, preferably 0.5 to 100 μm, more preferably 1 to 50 μm. It is desirable to have a large number (infinite).
上記小径貫通孔の平均孔径、大径貫通孔の平均孔径の上限に関しては特に制限が無いが、が0.05μm以上であれば、ガス透過が可能であるほか、液水不透過でかつ水蒸気が透過し得るサイズの空孔領域とすることができる。なお、水分透過性は、小径貫通孔の孔径の大きさに加え、撥水剤粒子による撥水作用により、小径貫通孔の入口表面で水が弾かれて、小径貫通孔内部に浸入しにくい構造となっている。そのため、当該小径貫通孔の孔径に関しては、撥水作用も考慮して、最適なガス透過性となる小径貫通孔の孔径を決定するのが望ましい。上記小径貫通孔の平均孔径が0.2μm以下であれば、液水は容易に進入できないほか、緻密で強固な粒子構造を保持した上で、液水不透過でかつガス透過し得るサイズの空孔領域を形成することができる。 There is no particular restriction on the upper limit of the average pore diameter of the small-diameter through-holes and the average pore diameter of the large-diameter through-holes, but if it is 0.05 μm or more, gas permeation is possible, liquid water impermeability and water vapor is not It can be set as a hole area of a size that can be transmitted. In addition to the size of the hole diameter of the small-diameter through hole, the moisture permeability is a structure in which water is repelled on the entrance surface of the small-diameter through hole due to the water-repellent action of the water-repellent particles, so that it does not easily enter the small-diameter through hole It has become. For this reason, regarding the hole diameter of the small-diameter through hole, it is desirable to determine the hole diameter of the small-diameter through hole that provides optimum gas permeability in consideration of the water repellency. If the average through-hole diameter of the small-diameter through-hole is 0.2 μm or less, liquid water cannot easily enter, and it has a dense and strong particle structure and is liquid-impermeable and gas-permeable. A pore region can be formed.
上記大径貫通孔の平均孔径が0.5μm以上であれば、水分及びガス透過し得るサイズの空孔領域とすることができる。また、大径貫通孔の平均孔径の上限に関しては特に制限が無いが、100μm以下であれば、シートの取り扱い性が容易であり、水分及びガス透過し得るサイズの空孔領域を形成し、高いガス拡散性を発現することができる。 When the average pore diameter of the large-diameter through-hole is 0.5 μm or more, a pore region having a size capable of transmitting moisture and gas can be obtained. In addition, there is no particular limitation on the upper limit of the average pore diameter of the large-sized through-holes, but if it is 100 μm or less, the sheet is easy to handle and forms a pore region having a size that allows moisture and gas to pass therethrough. Gas diffusibility can be expressed.
また、上記多孔体焼結粗粒子は、(1)カーボン粒子と撥水剤粒子とを非イオン性界面活性剤の存在下で水中に分散させてカーボン・撥水剤粒子分散液を調製し、前記カーボン・撥水剤粒子分散液を非イオン性界面活性剤の相分離現象を用い濃縮し、さらに前記相分離濃縮したものを乾燥、加熱焼結して混合焼結体を形成し、前記混合焼結体を微粉化して得られたものであることが望ましい。あるいは(2)カーボン粒子と撥水剤粒子とを非イオン性界面活性剤の存在下で水中に分散させてカーボン・撥水剤粒子分散液を調製し、前記カーボン・撥水剤粒子分散液を電着して固形分を析出し、前記固形分を焼結して混合焼結体を形成し、前記混合焼結体を微粉化して得られたものであることが望ましい。これらの詳細に関しては、以下の多孔体焼結粗粒子の製造方法の説明において、図面を用いて説明するため、ここでの説明は省略する。 Moreover, the porous sintered coarse particles are prepared by (1) dispersing carbon particles and water repellent particles in water in the presence of a nonionic surfactant to prepare a carbon / water repellent particle dispersion, The carbon / water repellent particle dispersion is concentrated by using a phase separation phenomenon of a nonionic surfactant, and the phase separation and concentration is dried, heated and sintered to form a mixed sintered body, and the mixed It is desirable that the sintered body is obtained by pulverization. Or (2) preparing a carbon / water repellent particle dispersion by dispersing carbon particles and water repellent particles in water in the presence of a nonionic surfactant; It is desirable to deposit the solid content by electrodeposition, sinter the solid content to form a mixed sintered body, and pulverize the mixed sintered body. Since these details will be described with reference to the drawings in the following description of the method for producing porous sintered coarse particles, description thereof will be omitted.
なお、本発明のGDLでは、上記多孔体焼結粗粒子以外に、本発明の作用効果を損なわない範囲内であれば、他の構成部材を適量含有していても良い。具体的には、例えば、カーボンナノチューブ、球状活性炭、球状黒鉛などが挙げられるが、これらに制限されるものではない。 In addition, in GDL of this invention, if it is in the range which does not impair the effect of this invention other than the said porous body sintered coarse particle, other structural members may be contained in an appropriate amount. Specific examples include, but are not limited to, carbon nanotubes, spherical activated carbon, and spherical graphite.
次に、上述した多孔体焼結粗粒子の構成部材につき、カーボン粒子及び撥水剤粒子を中心に説明する。 Next, the constituent members of the porous sintered coarse particles described above will be described focusing on carbon particles and water repellent particles.
(i)カーボン粒子211
上記多孔体焼結粗粒子21を構成するカーボン粒子の材質(種類)としては、GDLに導電性(電気伝導性)及び多孔質性を付与することができるように、従来公知のGDL材料であるカーボンペーパーやカーボンクロスなどに用いられていたのと同様の導電性カーボン材料を用いることができる。具体的には、例えば、黒鉛、膨張黒鉛などの従来一般的なものであればよい。なかでも、電子伝導性に優れ、比表面積が大きいことから、オイルファーネスブラック、チャネルブラック、ランプブラック、サーマルブラック、アセチレンブラックなどのカーボンブラックが好ましく挙げられる。
(I) Carbon particles 211
The material (type) of the carbon particles constituting the porous sintered coarse particles 21 is a conventionally known GDL material so that conductivity (electric conductivity) and porosity can be imparted to the GDL. The same conductive carbon material used for carbon paper, carbon cloth, etc. can be used. Specifically, for example, conventional materials such as graphite and expanded graphite may be used. Of these, carbon blacks such as oil furnace black, channel black, lamp black, thermal black, and acetylene black are preferred because of their excellent electron conductivity and large specific surface area.
上記カーボン粒子の形状は、従来のカーボン繊維のように電極間を突き抜けアノード極(燃料極)とカソード極(空気極)とが短絡することがないように、粒子状であることが望ましい。具体的には、カーボン粒子の縦横比(アスペクト比)が1〜3、好ましくは1〜2の範囲である。 The shape of the carbon particles is preferably particulate so that the anode electrode (fuel electrode) and the cathode electrode (air electrode) do not short-circuit between the electrodes as in the case of conventional carbon fibers. Specifically, the aspect ratio (aspect ratio) of the carbon particles is in the range of 1 to 3, preferably 1 to 2.
上記カーボン粒子の平均二次粒径としては、上記平均孔径の小径貫通孔を持つ上記平均粒径を有する多孔体焼結粗粒子を形成することができるものが望ましく、200〜1000nm、好ましくは300〜600nmの範囲である。カーボン粒子の平均1次粒径が30nm以上で比表面積は100m2/g以下が好ましい。 The average secondary particle size of the carbon particles is desirably one capable of forming porous sintered coarse particles having the average particle size and having the small average through-holes having the average pore size of 200 to 1000 nm, preferably 300. It is in the range of ~ 600 nm. The average primary particle size of the carbon particles is preferably 30 nm or more and the specific surface area is preferably 100 m 2 / g or less.
カーボン粒子の粒径は、例えば、SEM(走査型電子顕微鏡)観察、TEM(透過電子顕微鏡)観察などにより測定することができる(図9A参照)。なお、カーボン粒子の中には、上記したように縦横比が違う粒子が含まれている場合もある。したがって、上記でいう粒径などは、粒子の形状が一様でないことから、絶対最大長で表すものとする。この点は、後述する撥水剤粒子の粒径等においても同様である。ここで、絶対最大長とは、粒子(例えば、カーボン粒子や撥水剤粒子等)の輪郭線上の任意の2点間の距離のうち、最大の長さをとるものとする。 The particle diameter of the carbon particles can be measured by, for example, SEM (scanning electron microscope) observation, TEM (transmission electron microscope) observation, and the like (see FIG. 9A). Note that the carbon particles may include particles having different aspect ratios as described above. Accordingly, the particle size and the like referred to above are expressed by the absolute maximum length because the particle shape is not uniform. This also applies to the particle size of water repellent particles described later. Here, the absolute maximum length is the maximum length among the distances between any two points on the contour line of particles (for example, carbon particles, water repellent particles, etc.).
上記カーボン粒子の配合比率は、上記した導電性(電気伝導性)を有効に発揮する観点から、GDL全量に対して80〜50質量%、好ましくは70〜60質量%の範囲である。カーボン粒子の配合比率が50質量%以上であれば良好な導電性を確保できる。一方、カーボン粒子の配合比率が80質量%以下であれば撥水材による結着作用により必要な強度が得られるものである。 The blending ratio of the carbon particles is in the range of 80 to 50% by mass, preferably 70 to 60% by mass with respect to the total amount of GDL, from the viewpoint of effectively exhibiting the above-described conductivity (electric conductivity). When the mixing ratio of the carbon particles is 50% by mass or more, good conductivity can be ensured. On the other hand, if the blending ratio of the carbon particles is 80% by mass or less, the necessary strength can be obtained by the binding action of the water repellent material.
(ii)撥水剤粒子212
上記多孔体焼結粗粒子21を構成する撥水剤粒子212の材質(種類)としては、GDL13でも触媒層12と同様に撥水性を高めてフラッディング現象を防ぐことができるように、従来GDLに用いられていた撥水剤(例えば、撥水材料や表面だけを撥水処理した材料等)と同様のものを用いることができる。かかる撥水剤粒子の材質(種類)としては、特に限定されないが、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)などのフッ素系の高分子材料、ポリプロピレン、ポリエチレンなどが挙げられる。なかでも、撥水性、電極反応時の耐食性などに優れることから、フッ素系の高分子材料が好ましく用いられる。特に好ましくは、カーボン粒子同士を結着させ、かつ撥水性表面を形成させることができることから、PTFE、FEPのフッ素系の高分子材料が特に望ましいものである。さらに、こうした好適な撥水性材料を用いることで、電気抵抗の低減と、撥水性細孔(主に比較的小さな空孔)による液水の透過防止(ガス通路優先)機能を付与することができるものである。
(Ii) Water repellent particles 212
As the material (type) of the water repellent particles 212 constituting the porous sintered coarse particles 21, the GDL 13 is similar to the conventional GDL so that the water repellency can be enhanced and the flooding phenomenon can be prevented similarly to the catalyst layer 12. The same water-repellent agent as used (for example, a water-repellent material or a material having a surface subjected to water-repellent treatment) can be used. The material (type) of the water repellent particles is not particularly limited, but polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylidene fluoride (PVDF), polyhexafluoropropylene, tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer (FEP). ) And the like, polypropylene, polyethylene and the like. Of these, fluorine-based polymer materials are preferably used because of their excellent water repellency and corrosion resistance during electrode reaction. Particularly preferably, PTFE and FEP fluorine-based polymer materials are particularly desirable because carbon particles can be bound to each other and a water-repellent surface can be formed. Furthermore, by using such a suitable water-repellent material, it is possible to provide a function of reducing electrical resistance and preventing permeation of liquid water (priority of gas passage) due to water-repellent pores (mainly relatively small pores). Is.
上記撥水剤粒子の形状は、従来のカーボン繊維のように電極間を突き抜けアノード極(燃料極)とカソード極(空気極)とが短絡することがないように、粒子状であることが望ましい。具体的には、撥水剤粒子の縦横比(アスペクト比)が1〜4、好ましくは1〜2の範囲である。 The shape of the water repellent particles is preferably particulate so that the anode electrode (fuel electrode) and the cathode electrode (air electrode) do not short-circuit through the electrodes as in the case of conventional carbon fibers. . Specifically, the aspect ratio (aspect ratio) of the water repellent particles is 1 to 4, preferably 1 to 2.
言い換えれば、前記撥水剤粒子は、撥水剤粒子の60%以上、好ましくは80%以上、特に好ましくは100%(全撥水剤粒子)がフィブリル化していないことが望ましいものである。よって、撥水剤粒子(例えば、PTFE)がフィブリル化していないとは、撥水剤粒子が縦横比の小さい形状、例えば、粒状形状または層状形状で存在しているものと言える。このように撥水剤粒子(例えば、PTFE)がフィブリル化(繊維化)していないため、多孔体焼結粗粒子やGDLの構造を強固にでき、電極間の短絡などの問題も防止できる点で優れている。 In other words, it is desirable that 60% or more, preferably 80% or more, particularly preferably 100% (total water repellent particles) of the water repellent particles are not fibrillated. Therefore, it can be said that the water-repellent particles (for example, PTFE) are not fibrillated means that the water-repellent particles are present in a shape with a small aspect ratio, for example, a granular shape or a layered shape. Since the water repellent particles (for example, PTFE) are not fibrillated (fibrinated) in this way, the porous sintered coarse particles and GDL structure can be strengthened, and problems such as short circuit between electrodes can be prevented. Is excellent.
撥水剤粒子のフィブリル化は、例えば、走査型電子顕微鏡(SEM画像)により観察することができる(図9A、Bを対比参照のこと)。 The fibrillation of the water repellent particles can be observed, for example, with a scanning electron microscope (SEM image) (see FIGS. 9A and 9B for comparison).
上記撥水剤粒子の引っ張り強度は、撥水剤粒子100%で焼結体とし測定されるものとする。撥水剤粒子の引っ張り強度が10MPa以上、好ましくは10〜30MPaの範囲であるのが望ましい。撥水剤粒子の引っ張り強度が10MPa以上であれば、強固な焼結粗粒子を得ることが出来るのであり好ましい。また、撥水剤粒子の引っ張り強度の上限値としては特に制限されるものではない。 The tensile strength of the water repellent particles is measured as a sintered body with 100% water repellent particles. It is desirable that the tensile strength of the water repellent particles is 10 MPa or more, preferably 10 to 30 MPa. If the tensile strength of the water repellent particles is 10 MPa or more, strong sintered coarse particles can be obtained, which is preferable. Further, the upper limit value of the tensile strength of the water repellent particles is not particularly limited.
上記撥水剤粒子の平均粒径としては、上記平均孔径の小径貫通孔を持つ上記平均粒径を有する多孔体焼結粗粒子を形成することができるものが望ましく、100〜500nm、好ましくは200〜300nmの範囲である。撥水剤粒子の粒径は、例えば、SEM観察、AFM(原子間力顕微鏡:Atomic Force Microscope)観察などにより測定することができる(図9A参照)。なお、撥水剤粒子の中には、上記したように縦横比が違う粒子が含まれている場合もあり、粒子の形状が一様でないことから、粒径は絶対最大長で表すものとする。絶対最大長については、上記カーボン粒子の粒径において説明した通りである。 As the average particle diameter of the water repellent particles, those capable of forming the porous sintered coarse particles having the average particle diameter and having the small-diameter through-holes having the average pore diameter are desirably 100 to 500 nm, preferably 200. It is in the range of ˜300 nm. The particle size of the water repellent particles can be measured, for example, by SEM observation, AFM (Atomic Force Microscope) observation, or the like (see FIG. 9A). Note that the water repellent particles may include particles having different aspect ratios as described above, and the particle shape is not uniform. Therefore, the particle size is expressed by the absolute maximum length. . The absolute maximum length is as described in the particle diameter of the carbon particles.
また、上記カーボン粒子と撥水剤粒子との混合比は、カーボン粒子が多過ぎると期待するほど撥水性が得られない恐れがあり、撥水剤粒子が多過ぎると十分な電子伝導性が得られない恐れがある。これらを考慮して、当該GDLにおけるカーボン粒子と撥水剤粒子との混合比は、質量比で、8:2〜4:6、好ましくは7:3〜5:5の範囲とするのがよい。 In addition, the mixing ratio of the carbon particles to the water repellent particles may be insufficient to obtain water repellency as expected when there are too many carbon particles. If there are too many water repellent particles, sufficient electron conductivity can be obtained. There is a fear that it is not possible. Considering these, the mixing ratio of the carbon particles and the water repellent particles in the GDL is 8: 2 to 4: 6, preferably 7: 3 to 5: 5 in terms of mass ratio. .
次に、上記カーボン粒子の平均粒径(d1)と撥水剤粒子の平均粒径(d2)とは、上記した導電性(電気伝導性)と撥水性が発揮でき、これら粒子同士の間に生じる空孔の数及び径を制御する上で、d1/d2は0.5〜5、好ましくは1〜2の範囲である。d1/d2が5を超える場合には十分な電子伝導性が得らない。一方、d1/d2が0.5未満であれば十分な引っ張り強度が得られないのである。 Next, the average particle diameter (d1) of the carbon particles and the average particle diameter (d2) of the water repellent particles can exhibit the above-described conductivity (electric conductivity) and water repellency. In controlling the number and diameter of the generated holes, d1 / d2 is in the range of 0.5-5, preferably 1-2. When d1 / d2 exceeds 5, sufficient electron conductivity cannot be obtained. On the other hand, if d1 / d2 is less than 0.5, sufficient tensile strength cannot be obtained.
(iii)多孔体焼結粗粒子21を構成する任意の構成部材
上記多孔体焼結粗粒子21は、上記カーボン粒子と撥水剤粒子から構成されるものであるが、更に本発明の作用効果を損なわない範囲内であれば、他の構成部材を含んでいてもよい。具体的には、例えば、導電性(電気伝導性)を備えてなるカーボンナノチューブ、粒状活性炭、粒状黒鉛などを用いてもよい。
(Iii) Arbitrary constituent members constituting porous sintered coarse particles 21 The porous sintered coarse particles 21 are composed of the carbon particles and the water repellent particles. If it is in the range which does not impair, other structural members may be included. Specifically, for example, carbon nanotubes, granular activated carbon, granular graphite or the like having conductivity (electrical conductivity) may be used.
ここで、カーボン粒子とカーボンナノチューブとの混合比率は、カーボン粒子100質量部に対し、カーボンナノチューブが2〜25質量部、好ましくは5〜15質量部の範囲が望ましい。カーボン粒子100質量部に対しカーボンナノチューブの配合量が2質量部以上であれば導電性の向上が見られる。一方、カーボン粒子100質量部に対しカーボンナノチューブの配合量が25質量部以下であれば膜への突き刺さりなどの問題もなく、成膜性を損なわないものである。 Here, the mixing ratio of the carbon particles and the carbon nanotubes is 2 to 25 parts by mass, preferably 5 to 15 parts by mass with respect to 100 parts by mass of the carbon particles. If the compounding amount of the carbon nanotube is 2 parts by mass or more with respect to 100 parts by mass of the carbon particles, the conductivity is improved. On the other hand, if the compounding amount of the carbon nanotube is 25 parts by mass or less with respect to 100 parts by mass of the carbon particles, there is no problem such as piercing into the film and the film formability is not impaired.
上記カーボンナノチューブの長さは、1〜20μm、好ましくは5〜15μmの範囲である。長さが1μm以上であれば導電性が増し、長さが20μm以下であれば分散性も良好である。焼結体を粉砕して多孔体焼結粗粒子21を得る際に、該カーボンナノチューブが多孔体焼結粗粒子21同士を数珠状ないし網目状につないだ状態となることなく、多孔体焼結粗粒子21を得ることができる。またカーボンナノチューブのチューブ直径(太さ)は150〜10nm、好ましくは100〜20nmの範囲である。 The carbon nanotubes have a length of 1 to 20 μm, preferably 5 to 15 μm. If the length is 1 μm or more, the conductivity increases, and if the length is 20 μm or less, the dispersibility is also good. When the sintered body is pulverized to obtain the porous sintered coarse particles 21, the carbon nanotubes are not sintered in a bead-like or network-like manner. Coarse particles 21 can be obtained. The tube diameter (thickness) of the carbon nanotube is 150 to 10 nm, preferably 100 to 20 nm.
(iv)カーボン粒子および/または撥水剤粒子同士の隙間に形成される空孔(小径貫通孔)
前記カーボン粒子および/または撥水剤粒子同士の隙間に形成される空孔(小径貫通孔)の大きさ(平均孔径)については、既に説明した通りであるので、ここでの説明は省略する。
(Iv) Holes (small-diameter through holes) formed in the gaps between the carbon particles and / or the water repellent particles
Since the size (average pore diameter) of the pores (small-diameter through-holes) formed in the gaps between the carbon particles and / or the water repellent particles is as already described, description thereof is omitted here.
多孔体焼結粗粒子の空孔(小径貫通孔)の数としては、良好なガス拡散性が得られるものであればよい。 The number of pores (small-diameter through holes) in the porous sintered coarse particles may be any as long as good gas diffusibility can be obtained.
また、本発明におけるGDL13a、13bの厚さは、燃料ガスの拡散性などを向上させるには薄い方が望ましい。従って、所望の特性を有するMEA(燃料電池)が得られるように適宜決定すればよい。具体的には、GDL13a、13bの厚さは、それぞれ30〜500μmが好ましく、より好ましくは100〜200μmである。GDLの厚さが30μm以上であると取り扱い性に優れ、所望する電極出力を十分に確保することができる点で好ましく、500μm以下であれば必要な燃料ガスの供給が可能である。 In addition, the GDLs 13a and 13b in the present invention are desirably thin in order to improve the diffusibility of the fuel gas. Therefore, it may be determined as appropriate so as to obtain an MEA (fuel cell) having desired characteristics. Specifically, the thickness of each of the GDLs 13a and 13b is preferably 30 to 500 μm, and more preferably 100 to 200 μm. A GDL thickness of 30 μm or more is preferable in terms of excellent handleability and sufficient securing of a desired electrode output, and if it is 500 μm or less, necessary fuel gas can be supplied.
次に、本発明のGDLの製造方法につき、図面を用いて説明する。 Next, the GDL manufacturing method of the present invention will be described with reference to the drawings.
図5は、本発明のGDLに用いる多孔体焼結粗粒子の製造方法の代表的な実施形態(製法1と称する)として、多孔体焼結粗粒子用の混合焼結体を形成するまでの製造過程を表した工程概略図である。図6は、本発明のGDLに用いる多孔体焼結粗粒子の製造方法の代表的な他の実施形態(製法2と称する)として、多孔体焼結粗粒子用の焼結体を形成するまでの製造過程を表した工程概略図である。図7は、製法1または2で得られた多孔体焼結粗粒子用の混合焼結体を用いたGDLの製造方法の代表的な実施形態を表した工程概略図である。以下、多孔体焼結粗粒子の製造方法と、これにより得られた多孔体焼結粗粒子を用いたGDLの製造方法に分けて説明する。 FIG. 5 shows a process up to forming a mixed sintered body for porous sintered coarse particles as a representative embodiment (referred to as production method 1) of the method for producing porous sintered coarse particles used in the GDL of the present invention. It is process schematic showing the manufacturing process. FIG. 6 shows a process for producing a porous sintered coarse particle for use in the GDL of the present invention, as another typical embodiment (referred to as production method 2), until a sintered body for porous sintered coarse particle is formed. It is process schematic showing the manufacturing process of. FIG. 7 is a process schematic diagram showing a typical embodiment of a method for producing GDL using a mixed sintered body for porous body sintered coarse particles obtained by production method 1 or 2. Hereinafter, the method for producing porous sintered coarse particles and the method for producing GDL using the porous sintered coarse particles obtained thereby will be described separately.
(1)多孔体焼結粗粒子の製造方法(製法1)について(図5、図7A〜B参照)
本発明のGDLに用いる多孔体焼結粗粒子の製造方法の代表的な実施形態(製法1と称する)としては、カーボン粒子と撥水剤粒子とを非イオン性界面活性剤の存在下で水中に分散させてカーボン・撥水剤粒子分散液を調製し(カーボン・撥水剤粒子分散液の調製工程ともいう)、前記カーボン・撥水剤粒子分散液を非イオン性界面活性剤の相分離現象を用い濃縮し(相分離濃縮工程ともいう)、さらに前記相分離濃縮したものを加熱焼結して混合焼結体を形成し(混合焼結体の形成工程ともいう)、前記混合焼結体を微粉化して所望の多孔体焼結粗粒子を得る(混合焼結体の微粉化工程ともいう)ことができる。本発明の製造方法(製法1、更には後述する製法2〜4)では、カーボン粒子と撥水剤粒子を剪断応力が加わらないために(撥水剤粒子のフィブリル化を起こさないように液体状態から)乾燥し、撥水剤粒子の融点以上で焼結(焼成)することができ、ヤング率の高い、引っ張り強度はほぼ同程度で脆く、圧縮変形がし難い焼結体が得られることを見いだし、これを粉砕し、再インク化してGDLを形成すれば、所望のGDLが得られることを知得するに至ったものである。
(1) About the manufacturing method (manufacturing method 1) of porous sintered coarse particles (see FIGS. 5 and 7A-B)
As a typical embodiment of the method for producing porous sintered coarse particles used in the GDL of the present invention (referred to as production method 1), carbon particles and water repellent particles are mixed in water in the presence of a nonionic surfactant. To prepare a carbon / water repellent particle dispersion (also referred to as a carbon / water repellent particle dispersion preparation step), and the carbon / water repellent particle dispersion is phase-separated from a nonionic surfactant. Concentration using a phenomenon (also referred to as a phase separation and concentration step), and further heating and sintering the phase separation and concentration to form a mixed sintered body (also referred to as a mixed sintered body forming step), and the mixed sintering The body can be pulverized to obtain desired porous sintered coarse particles (also referred to as a pulverization step of a mixed sintered body). In the production method of the present invention (Production method 1 and further Production methods 2 to 4 described later), the shearing stress is not applied to the carbon particles and the water repellent particles (in a liquid state so as not to cause fibrillation of the water repellent particles). From the above, it can be dried and sintered (fired) above the melting point of the water repellent particles, resulting in a sintered body having a high Young's modulus, approximately the same tensile strength, brittle and difficult to compress. It has been found that if a GDL is formed by pulverizing and reinking it, the desired GDL can be obtained.
(i)カーボン・撥水剤粒子分散液の調製工程(図5A、B参照)
本工程では、カーボン粒子と撥水剤粒子とを非イオン性界面活性剤の存在下で水中に分散させてカーボン・撥水剤粒子分散液を調製する。
(I) Preparation process of carbon / water repellent particle dispersion (see FIGS. 5A and 5B)
In this step, carbon / water repellent particle dispersion is prepared by dispersing carbon particles and water repellent particles in water in the presence of a nonionic surfactant.
ここで、カーボン粒子及び撥水剤粒子については、既に説明したとおりであるので、ここでの説明は省略する。 Here, since the carbon particles and the water repellent particles are as already described, description thereof is omitted here.
上記カーボン粒子の配合量としては、カーボン・撥水剤粒子分散液に対して1〜10質量%、好ましくは5〜9質量%の範囲である。上記撥水剤粒子の配合量としては、カーボン・撥水剤粒子分散液に対して1〜10質量%、好ましくは3〜6質量%の範囲である。 The blending amount of the carbon particles is 1 to 10% by mass, preferably 5 to 9% by mass with respect to the carbon / water repellent particle dispersion. The blending amount of the water repellent particles is 1 to 10% by mass, preferably 3 to 6% by mass with respect to the carbon / water repellent particle dispersion.
上記非イオン性界面活性剤としては、上記カーボン粒子及び撥水剤粒子を凝集させることなく、微粒化した状態で、溶媒である水中に分散、好ましくは均一に高分散させることができることができるものであればよい。上記非イオン性界面活性剤としては、具体的には、Triton X−100等のポリオキシエチレンフェニルエーテル、ポリオキシエチレンアルキルエーテルであるN−100などを挙げることができるが、これらに何ら制限されるものではない。好ましくは相分離の観点から、適度な曇点を有するTriton X−100、N−100が好適である。また、これら非イオン性界面活性剤は、1種単独で用いても良いし、2種以上を併用しても良い。 The nonionic surfactant can be dispersed in water as a solvent, preferably uniformly dispersed in a finely divided state without agglomerating the carbon particles and water repellent particles. If it is. Specific examples of the nonionic surfactant include polyoxyethylene phenyl ether such as Triton X-100 and N-100 which is polyoxyethylene alkyl ether, but are not limited thereto. It is not something. Triton X-100 and N-100 having an appropriate cloud point are preferable from the viewpoint of phase separation. Moreover, these nonionic surfactants may be used individually by 1 type, and may use 2 or more types together.
上記非イオン性界面活性剤の配合量としては、カーボンブラック等のカーボン粒子の比表面積に比例して界面活性剤の添加量は増減するが、ここではアセチレンブラックAB−6(デカン製)を例に説明する。この場合、非イオン性界面活性剤の配合量としては、カーボン・撥水剤粒子分散液に対して0.5〜20質量%、好ましくは0.5〜8質量%の範囲である。非イオン性界面活性剤の配合量が0.5質量%以上であれば、良好に分散されるのである。一方、非イオン性界面活性剤の配合量が0.5質量%未満であれば、カーボンブラック等のカーボン粒子が分散できないおそれがある。また、非イオン性界面活性剤の配合量が20質量%以下であれば、本発明の作用効果を損なうことなく良好に分散されるものである。 As the blending amount of the nonionic surfactant, the amount of the surfactant added increases or decreases in proportion to the specific surface area of carbon particles such as carbon black. Here, acetylene black AB-6 (manufactured by Deccan) is used as an example. Explained. In this case, the blending amount of the nonionic surfactant is 0.5 to 20% by mass, preferably 0.5 to 8% by mass with respect to the carbon / water repellent particle dispersion. If the blending amount of the nonionic surfactant is 0.5% by mass or more, it is dispersed well. On the other hand, if the blending amount of the nonionic surfactant is less than 0.5% by mass, carbon particles such as carbon black may not be dispersed. Moreover, if the compounding quantity of a nonionic surfactant is 20 mass% or less, it will disperse | distribute favorably, without impairing the effect of this invention.
また、本工程では、図5Aに示すように、まず、非イオン性界面活性剤を含む水に、カーボン粒子を添加し、適当な分散装置、例えば、超音波分散機、ジェットミル、ビーズミル等で、平均粒径300〜600μmまで分散してカーボン粒子分散液51を調製する。これは、カーボン粒子は、2次凝集して塊状化しているため、分散装置を用いて、適当な大きさになるまで微粒化し、界面活性剤を表面に吸着させて安定な分散液を得るものである。 Further, in this step, as shown in FIG. 5A, first, carbon particles are added to water containing a nonionic surfactant, and an appropriate dispersing device such as an ultrasonic disperser, a jet mill, a bead mill or the like is used. The carbon particle dispersion 51 is prepared by dispersing to an average particle size of 300 to 600 μm. This is because carbon particles are secondarily agglomerated and agglomerated so that they can be atomized to a suitable size using a dispersing device and adsorbed on the surface to obtain a stable dispersion. It is.
次に、図5Bに示すように、上記により得られたカーボン粒子分散液に、市販の撥水剤粒子ディスパージョンを必要量添加、混合し、適当な撹拌装置、例えば、攪拌機等で過度の応力が掛からないように緩やかに撹拌することで、カーボン・撥水剤粒子分散液52を調製する。最適な界面活性剤を用いた分散液は過度の剪断応力をかけ無い限り安定である。例えば、通常の攪拌、震とう、超音波照射等では撥水剤粒子が凝集フィブリル化することはない。 Next, as shown in FIG. 5B, a necessary amount of a commercially available water repellent particle dispersion is added to and mixed with the carbon particle dispersion obtained as described above, and excessive stress is applied using a suitable stirring device such as a stirrer. The carbon / water repellent particle dispersion 52 is prepared by gently stirring so as not to be applied. A dispersion using an optimal surfactant is stable unless excessive shear stress is applied. For example, the water repellent particles do not form aggregated fibrils by normal stirring, shaking, ultrasonic irradiation, or the like.
ここで、撥水剤粒子ディスパージョンを用いたのは、撥水剤粒子の撥水作用により、撥水剤粒子を単独で添加したのでは、水中に分散させるのが不可能なためである。かかる撥水剤粒子ディスパージョンとしては、ダイキン工業株式会社、旭硝子株式会社、三井フロロケミカル株式会社等で市販されているものを容易に入手できる。 Here, the reason why the water repellent particle dispersion is used is that it is impossible to disperse in water if the water repellent particles are added alone due to the water repellent action of the water repellent particles. As such a water repellent particle dispersion, those commercially available from Daikin Industries, Ltd., Asahi Glass Co., Ltd., Mitsui Fluorochemical Co., Ltd. and the like can be easily obtained.
上記瀘過には、カーボン粒子の二次凝集サイズ及び撥水剤粒子ディスパージョンでの粒子サイズを考慮して、これらを十分瀘別可能な濾紙(例えば、0.2μmの濾紙)を用いて濾過する。この場合、例えば、0.2μmの濾紙を用いて減圧吸引濾過するには、数日間を要する。 In the above filtration, in consideration of the secondary aggregation size of the carbon particles and the particle size in the water repellent particle dispersion, filtration is performed using a filter paper (for example, 0.2 μm filter paper) that can be sufficiently separated. To do. In this case, for example, several days are required to perform vacuum suction filtration using 0.2 μm filter paper.
(ii)相分離濃縮工程(図5C参照)
本工程では、前記カーボン・撥水剤粒子分散液を相分離濃縮するものである。これは、前記カーボン・撥水剤粒子分散液を固形化して焼結するまでに剪断応力をかけると撥水剤粒子が凝集フィブリル化してしまうので液体状態から応力が加わらない固形化方法で固形化するのが望ましいためである。アルコール等の凝集剤を用いずに、前記カーボン・撥水剤粒子分散液から水分を除く、例えば、瀘過により固形分を集める方法(瀘過法)、遠心分離する方法などを用いて分離濃縮する方法も使用できる。濾過法では凝集剤を使えないため著しく濾過時間を要する(例えば、0.2μmの濾紙では2日間かけて濾過しないと瀘過固形分が得られにくい)欠点がある。また、遠心分離法では分散液を5000G程度で60分間遠心することで固形分50%程度にすることができる。これを乾燥、焼結することで混合焼結体を得ることもできる。ここでは非イオン性界面活性剤の相分離現象を用いて液体状態から応力が加わらない固形化方法で固形化して固形分53を得る。
(Ii) Phase separation and concentration step (see FIG. 5C)
In this step, the carbon / water repellent particle dispersion is phase-separated and concentrated. This is because the water-repellent particles become agglomerated fibrils when shear stress is applied before the carbon / water-repellent particle dispersion is solidified and sintered. This is because it is desirable. Without using a flocculant such as alcohol, water is removed from the carbon / water repellent particle dispersion. For example, solids are collected by filtration (filtering method), centrifuged, and concentrated. You can also use this method. Since the flocculant cannot be used in the filtration method, it takes a long time to filter (for example, it is difficult to obtain a filtered solid content unless filtration is performed over 2 days with a 0.2 μm filter paper). In the centrifugal separation method, the dispersion can be centrifuged at about 5000 G for 60 minutes to obtain a solid content of about 50%. A mixed sintered body can also be obtained by drying and sintering this. Here, the solid content 53 is obtained by solidification by a solidification method in which no stress is applied from the liquid state using the phase separation phenomenon of the nonionic surfactant.
相分離濃縮法とは非イオン性界面活性剤の相分離現象を用いる。非イオン性界面活性剤を含む水溶液を加熱していくと白濁する温度がある。この現象は非イオン性界面活性剤の場合におこり、非イオン性界面活性の場合には、ポリオキシエチレン基(CH2−CH2−O)n)と水分子との水素イオン結合が曇点以上の温度で熱運動のため切断されるので、界面活性剤は溶けにくくなる。これは非イオン性界面活性剤分子がこの温度以上で不溶化するためである。非イオン性界面活性剤を含む分散液を昇温していくと分散粒子表面に吸着している非イオン性界面活性剤分子が不溶化するために分散微粒子が沈降して濃厚相と希薄相に相分離することを用いる。これにより、固形分濃度40%wt程度まで濃縮することができる。 The phase separation concentration method uses a phase separation phenomenon of a nonionic surfactant. When an aqueous solution containing a nonionic surfactant is heated, there is a temperature at which it becomes cloudy. This phenomenon occurs in the case of a nonionic surfactant. In the case of a nonionic surfactant, the hydrogen ion bond between a polyoxyethylene group (CH 2 —CH 2 —O) n ) and a water molecule is a cloud point. Since it is cut due to thermal motion at the above temperature, the surfactant becomes difficult to dissolve. This is because nonionic surfactant molecules are insolubilized above this temperature. When the temperature of the dispersion containing the nonionic surfactant is raised, the nonionic surfactant molecules adsorbed on the surface of the dispersed particles become insoluble, so that the dispersed fine particles settle and form a concentrated phase and a dilute phase. Use separation. Thereby, it can concentrate to solid content concentration about 40% wt.
例えば、4%Triton X−100(非イオン性界面活性剤)を含む分散液(固形分13%wt)をガラス瓶に入れて70.0℃のウオーターバスの中に24時間放置することで、該分散液は上部が低濃度となり下部が高濃度となって分離する。上部の液を取り除くことで、固形分44.6%の濃縮液を得ることができる。この場合、固形分の収率は99%であり、相分離濃縮法では、上記濾過法等に比して短時間で極めて効率よく濃縮できる。これを乾燥することで容易に固形分を得ることができるものである。 For example, a dispersion liquid (solid content 13% wt) containing 4% Triton X-100 (nonionic surfactant) is placed in a glass bottle and left in a water bath at 70.0 ° C. for 24 hours. The dispersion is separated with a low concentration at the top and a high concentration at the bottom. By removing the upper liquid, a concentrated liquid having a solid content of 44.6% can be obtained. In this case, the solids yield is 99%, and the phase separation concentration method can be concentrated very efficiently in a short time compared to the above filtration method and the like. By drying this, solid content can be easily obtained.
(iii)混合焼結体の形成工程(図5D、E参照)
本工程では、さらに前記相分離濃縮したもの(固形分)を加熱焼結して混合焼結体を形成するものである。
(Iii) Process for forming a mixed sintered body (see FIGS. 5D and 5E)
In this step, the mixed and sintered body is formed by further heating and sintering the phase-separated and concentrated product (solid content).
本工程では、図5Dに示すように、前記相分離濃縮した固形分53を、適当な基材54などに塗布し、必要に応じて乾燥し、加熱焼成して、混合焼結体55を形成する。これを、基材54から剥離することで、図5Eに示すように、混合焼結体55の緻密な膜56を得ることができる。 In this step, as shown in FIG. 5D, the phase-separated and concentrated solid content 53 is applied to a suitable base material 54, etc., dried as necessary, and heated and fired to form a mixed sintered body 55. To do. By peeling this from the base material 54, a dense film 56 of the mixed sintered body 55 can be obtained as shown in FIG. 5E.
ここで、基材54には、乾燥、焼成段階で熱的、化学的に安定なものであればよく、例えば、Al箔、硝子板、カプトンシート、チタン箔などを用いることができる。好ましくは、混合焼結体55を基材54から剥離するのが容易なように剥離性に優れたものが望ましく、例えば、Al箔などを好適に利用することができる。 Here, the base material 54 may be any material that is thermally and chemically stable in the drying and firing stages. For example, an Al foil, a glass plate, a Kapton sheet, a titanium foil, or the like can be used. Preferably, a material excellent in peelability is desirable so that the mixed sintered body 55 can be easily peeled from the base material 54, and for example, an Al foil or the like can be suitably used.
上記乾燥段階でも、剪断応力を加えずに、撥水剤粒子のフィブリル化を起こさない乾燥条件とするのが望ましい。かかる観点から、乾燥条件としては、70〜120℃で1〜5時間程度であればよい。乾燥温度までの昇温速度は、10〜100℃/分、好ましくは20〜50℃/分の範囲で行うのが望ましい。乾燥段階でも、剪断応力を加えずに、撥水剤粒子のフィブリル化を起こさない乾燥条件とするのが望ましい。 Even in the drying step, it is desirable to set the drying conditions so as not to cause fibrillation of the water repellent particles without applying shear stress. From this point of view, the drying conditions may be about 70 to 120 ° C. for about 1 to 5 hours. The heating rate up to the drying temperature is 10 to 100 ° C./min, preferably 20 to 50 ° C./min. Even in the drying stage, it is desirable that the drying conditions be such that no shear stress is applied and the water repellent particles are not fibrillated.
次に、焼成条件としては、撥水剤粒子の融点以上、好ましくは撥水剤粒子の融点より5〜50℃高い温度域で0.5〜3時間焼成することで、混合焼結体55が得られる。なお、焼成温度までの昇温速度は、10〜200℃/分、好ましくは50〜150℃/分の範囲で行うのが望ましい。 Next, as the firing condition, the mixed sintered body 55 is fired for 0.5 to 3 hours in a temperature range higher than the melting point of the water repellent particles, preferably 5 to 50 ° C. higher than the melting point of the water repellent particles. can get. In addition, it is desirable that the rate of temperature rise to the firing temperature is 10 to 200 ° C./min, preferably 50 to 150 ° C./min.
また、混合焼結体55の厚さは、生産性の観点から0.2〜5mm、好ましくは0.5〜2mm程度に調整するのが望ましい。 The thickness of the mixed sintered body 55 is desirably adjusted to about 0.2 to 5 mm, preferably about 0.5 to 2 mm from the viewpoint of productivity.
該混合焼結体55を基材54から剥離することで、図5Eに示すように、混合焼結体55の緻密な膜56を得ることができる。該混合焼結体55の緻密な膜(シート)56の物性は、上述したように、引っ張り強度が20kgf/cm2以上、好ましくは20〜40kgf/cm2であり、破断変形率が20%以下、好ましくは10%以下であることが望ましい。このように、カーボン粒子と撥水剤粒子とを剪断応力を加えずに(撥水剤粒子のフィブリル化を起こさないで)、乾燥、撥水剤粒子の融点以上で焼結すればヤング率の高い、引っ張り強度は同程度で脆く、圧縮変形がし難い、緻密で強固な焼結体を得ることができる。これを後述するように、粉砕して多孔体焼結粗粒子とし、該粒子を再インク化して成膜することで、適度に隙間を持ちつつ該粒子同士が連なってなるGDLを得ることができる。即ち、非常に強固で緻密な多孔体焼結粗粒子が連なって出来たGDLにおいて、多孔体焼結粗粒子間に適当なサイズの貫通孔が形成されている。この貫通孔は、焼結体である多孔体焼結粗粒子が非常に強固で安定なため、電池スタック内で長期にわたり加圧条件下にあっても撥水剤粒子がフィブリル化していないので潰れない。そのため優れたガス拡散性を長期間、安定した保持することができるものである。 By peeling the mixed sintered body 55 from the base material 54, a dense film 56 of the mixed sintered body 55 can be obtained as shown in FIG. 5E. Physical properties of dense film (sheet) 56 of the mixed sintered body 55, as described above, a tensile strength of 20 kgf / cm 2 or more, preferably 20~40kgf / cm 2, breaking deformation rate of 20% or less Preferably, it is 10% or less. Thus, if the carbon particles and the water repellent particles are dried and sintered at a temperature equal to or higher than the melting point of the water repellent particles without applying shear stress (without causing fibrillation of the water repellent particles), the Young's modulus is increased. It is possible to obtain a dense and strong sintered body that has high tensile strength and is brittle and is not easily deformed by compression. As will be described later, by pulverizing into porous sintered coarse particles, and re-inking the particles to form a film, it is possible to obtain a GDL in which the particles are connected with a moderate gap. . That is, in the GDL formed by connecting very strong and dense porous sintered coarse particles, through-holes of an appropriate size are formed between the porous sintered coarse particles. Since the porous sintered coarse particles, which are sintered bodies, are very strong and stable, the through-holes are crushed because the water repellent particles are not fibrillated even under pressure conditions for a long time in the battery stack. Absent. Therefore, excellent gas diffusibility can be stably maintained for a long period of time.
なお、混合焼結体55を基材54から剥離する段階では、既に硬い焼結体となっており、ある程度剪断応力を加えても撥水剤粒子がフィブリル化を起こさないため、基材54から混合焼結体55を引き剥がしてもよい。これは、次工程で、該混合焼結体55の緻密な膜56を粉砕するため、同程度のせん断応力が加わっても問題ないためである。 At the stage of peeling the mixed sintered body 55 from the base material 54, the sintered body is already a hard sintered body, and the water repellent particles do not cause fibrillation even if a certain amount of shear stress is applied. The mixed sintered body 55 may be peeled off. This is because, in the next step, the dense film 56 of the mixed sintered body 55 is pulverized, so there is no problem even if the same degree of shear stress is applied.
(iv)混合焼結体の微粉化工程(図7A、B参照)
本工程では、前記混合焼結体55を微粉化して所望の多孔体焼結粗粒子を得るものである。
(Iv) Micronization process of mixed sintered body (see FIGS. 7A and 7B)
In this step, the mixed sintered body 55 is pulverized to obtain desired porous sintered coarse particles.
本工程では、図7A、Bに示すように、製法1で得られた前記混合焼結体の緻密な膜71(図5Eの混合焼結体55の緻密な膜56)を、適当な粉砕装置、例えば、ミキサー、などを用いて微粉砕し、適当な分級装置、例えば、ふるい、分級機などを用いて分級し、所望の大きさの(ここでは、一定粒度以下に分級された)多孔体焼結粗粒子72を得ることができる。粉砕するとき混合焼結体は液体窒素等で冷却しておくことが望ましい。 In this step, as shown in FIGS. 7A and 7B, the dense film 71 (the dense film 56 of the mixed sintered body 55 in FIG. 5E) of the mixed sintered body obtained by the manufacturing method 1 is applied to an appropriate pulverizing apparatus. For example, finely pulverized using a mixer, etc., classified using an appropriate classifier such as a sieve, a classifier, etc., and a porous body having a desired size (classified to a certain particle size or less here) Sintered coarse particles 72 can be obtained. When pulverizing, the mixed sintered body is preferably cooled with liquid nitrogen or the like.
(2)多孔体焼結粗粒子の製造方法(製法2)について(図6、図7A〜B参照)
本発明のGDLに用いる多孔体焼結粗粒子の製造方法の代表的な実施形態(製法2と称する)としては、カーボン粒子と撥水剤粒子とを非イオン性界面活性剤の存在下で水中に分散させてカーボン・撥水剤粒子分散液を調製し(カーボン・撥水剤粒子分散液の調製工程ともいう)、前記カーボン・撥水剤粒子分散液を電着して固形分を析出し(電着工程ともいう)、さらに前記固形分を焼結して混合焼結体を形成し(混合焼結体の形成工程ともいう)、前記混合焼結体を微粉化して所望の多孔体焼結粗粒子を得る(混合焼結体の微粉化工程ともいう)ものである。
(2) About the manufacturing method (production method 2) of porous body sintered coarse particles (see FIGS. 6 and 7A-B)
As a typical embodiment of the method for producing porous sintered coarse particles used in the GDL of the present invention (referred to as production method 2), carbon particles and water repellent particles are mixed in water in the presence of a nonionic surfactant. To prepare a carbon / water repellent particle dispersion (also referred to as a carbon / water repellent particle dispersion preparation step), and electrodeposit the carbon / water repellent particle dispersion to precipitate a solid content. (Also referred to as an electrodeposition process), further, the solid content is sintered to form a mixed sintered body (also referred to as a mixed sintered body forming process), and the mixed sintered body is pulverized to form a desired porous body. Coarse coarse particles are obtained (also referred to as a pulverization step of the mixed sintered body).
(i)カーボン・撥水剤粒子分散液の調製工程(図6A、B参照)
本工程では、カーボン粒子と撥水剤粒子とを非イオン性界面活性剤の存在下で水中に分散させてカーボン・撥水剤粒子分散液を調製する。
(I) Preparation process of carbon / water repellent particle dispersion (see FIGS. 6A and 6B)
In this step, carbon / water repellent particle dispersion is prepared by dispersing carbon particles and water repellent particles in water in the presence of a nonionic surfactant.
本工程は、製法1のカーボン・撥水剤粒子分散液の調製工程と同様であり、製法1の図5A、Bでの説明に変えて製法2では図6A、Bを用いたものである。即ち、図5Aのカーボン粒子分散液51を、図6Aではカーボン粒子分散液61とし、図5Bのカーボン・撥水剤粒子分散液52を、6Bではカーボン・撥水剤粒子分散液62としたものであり、実質的に何らかわるものではない。 This step is the same as the preparation step of the carbon / water repellent particle dispersion liquid of production method 1, and instead of the description of production method 1 in FIGS. 5A and 5B, production method 2 uses FIGS. 6A and 6B. That is, the carbon particle dispersion 51 of FIG. 5A is the carbon particle dispersion 61 in FIG. 6A, the carbon / water repellent particle dispersion 52 of FIG. 5B is the carbon / water repellent particle dispersion 62 in 6B. However, there is nothing practically different.
(ii)電着工程(図6C参照)
本工程では、前記カーボン・撥水剤粒子分散液を電着して固形分を堆積させるものである。本製法でも、製法1と同様に、前記カーボン・撥水剤粒子分散液を固形化して焼結するまでに剪断応力をかけると撥水剤粒子が凝集フィブリル化してしまうので液体状態から応力が加わらない固形化方法で固形化するのが望ましいためである。
(Ii) Electrodeposition process (see FIG. 6C)
In this step, the carbon / water repellent particle dispersion is electrodeposited to deposit a solid content. Also in this production method, as in production method 1, if a shear stress is applied before the carbon / water repellent particle dispersion is solidified and sintered, the water repellent particles are aggregated into fibrils, so stress is applied from the liquid state. It is because it is desirable to solidify by the solidification method which is not.
したがって、本工程では、前記カーボン・撥水剤粒子分散液を適当な電着法、例えば、泳動電着で陽極64に固形分を電積させる方法、図6Cに示すように、液体状態から応力が加わらない固形化方法で固形化して電着固形分65を得る。 Therefore, in this step, the carbon / water repellent particle dispersion liquid is subjected to a suitable electrodeposition method, for example, a method in which the solid content is deposited on the anode 64 by electrophoretic electrodeposition, as shown in FIG. Is solidified by a solidification method in which no electrode is added to obtain an electrodeposited solid content 65.
本製法2では、製法1のように瀘過にて固形分を集める場合に比して、比較的短時間に固形分を集めることができる点で優れている。 This production method 2 is superior in that the solid content can be collected in a relatively short time as compared to the case of collecting the solid content by filtration as in production method 1.
(iii)混合焼結体の形成工程(図6D、E参照)
本工程では、さらに前記固形分を焼結して混合焼結体を形成するものである。
(Iii) Process for forming a mixed sintered body (see FIGS. 6D and E)
In this step, the solid content is further sintered to form a mixed sintered body.
本工程では、製法1の混合焼結体の形成工程と基本的には同様であり、図6Dに示すように、前記固形分65を、図6Eに示すように、必要に応じて乾燥し、泳動電着用陽極(電極基材)64から剥離後、焼成して、混合焼結体の緻密な膜66を得ることができる。 This step is basically the same as the step of forming the mixed sintered body of production method 1, and as shown in FIG. 6D, the solid content 65 is dried as necessary, as shown in FIG. 6E. After peeling from the electrophoretic electrodeposition anode (electrode substrate) 64, firing is performed to obtain a dense film 66 of a mixed sintered body.
ここで、電極基材(泳動電着用陽極)64には、電気化学的に溶解せずに安定なものが望ましく、例えば、白金板、白金被覆チタン板、イリジウム被覆チタン板などを用いることができる。上記工程で用いた電極(泳動電着用陰極)63には、電極(泳動電着用陽極)64のような乾燥段階での特性は特に必要がないことから、従来公知の各種電極材料を用いることができる。例えば、ニッケルメッシュなどを利用することできる。以下の乾燥、焼結、微粉化工程は前述と同様であるので省略した。 Here, it is desirable that the electrode base material (electrophoretic electrode-deposited anode) 64 be stable without being electrochemically dissolved. For example, a platinum plate, a platinum-coated titanium plate, an iridium-coated titanium plate, or the like can be used. . Since the electrode (electrophoretic electrodeposition cathode) 63 used in the above process does not need to have any particular characteristics in the drying stage like the electrode (electrophoresis electrodeposition anode) 64, various conventionally known electrode materials may be used. it can. For example, a nickel mesh can be used. The following drying, sintering, and pulverization steps are the same as described above, and thus are omitted.
(3)製法1,2により得られた多孔体焼結粗粒子を用いたGDLの製造方法(製法3)について
本発明のGDLの製造方法の代表的な実施形態(製法3と称する)としては、上記製法1または製法2により得られた多孔体焼結粗粒子を、溶剤に分散させて多孔体焼結粗粒子分散液を形成し(多孔体焼結粗粒子分散液の調整工程ともいう)、前記多孔体焼結粗粒子分散液を基材に塗布し、乾燥後ホットプレスして成膜し、前記基材と分離してGDLを得る(GDL成膜工程)ものである。かかる製造方法により、10〜200μm程度の、厚みムラの少ないGDLを成膜することが出来る点で優れている。
(3) GDL production method (production method 3) using porous sintered coarse particles obtained by production methods 1 and 2 As a representative embodiment (referred to as production method 3) of the GDL production method of the present invention, The porous sintered coarse particles obtained by the above production method 1 or 2 are dispersed in a solvent to form a porous sintered coarse particle dispersion (also referred to as an adjustment step of the porous sintered coarse particle dispersion). The porous sintered coarse particle dispersion is applied to a base material, dried and hot pressed to form a film, and separated from the base material to obtain GDL (GDL film forming step). This manufacturing method is excellent in that a GDL having a thickness unevenness of about 10 to 200 μm can be formed.
(i)多孔体焼結粗粒子分散液の調整工程(再インク化工程ともいう;図7C参照)
本工程では、上記製法1または製法2により得られた多孔体焼結粗粒子を、溶剤に分散させて多孔体焼結粗粒子分散液を形成する(再インク化する)。
(I) Adjustment process of porous sintered coarse particle dispersion (also referred to as reinking process; see FIG. 7C)
In this step, the porous sintered coarse particles obtained by the above production method 1 or 2 are dispersed in a solvent to form a porous sintered coarse particle dispersion (reinking).
ここで、上記溶剤としては、上記製法1または製法2により得られた多孔体焼結粗粒子を分散、好ましくは均一に高分散させることができるものであればよく、特に制限されるものではない。該溶剤としては、例えば、ソルベントナフサ;デカン、ドデカンなどのアルカン炭化水素(CnH2n+2:ここでn=10〜16である。);などを用いることができる。また、これら溶剤は、1種単独で用いても良いし、2種以上を併用しても良い。好ましくは、撥水性の高い多孔体焼結粗粒子を容易に分散できることから、アルカン炭化水素(CnH2n+2;ここで、n=10〜16)およびこれらを含む溶剤よりなる群から選ばれてなる少なくとも1種の溶剤が望ましいものである。具体的には、デカンおよび/またはドデカンなどが挙げられる。 Here, the solvent is not particularly limited as long as it can disperse, preferably uniformly and uniformly disperse the porous sintered coarse particles obtained by the above production method 1 or 2. . Examples of the solvent include solvent naphtha; alkane hydrocarbons such as decane and dodecane (C n H 2n + 2, where n = 10 to 16); Moreover, these solvents may be used alone or in combination of two or more. Preferably, the porous sintered coarse particles having high water repellency can be easily dispersed, and therefore, selected from the group consisting of alkane hydrocarbons (C n H 2n + 2 ; where n = 10 to 16) and solvents containing them. Such at least one solvent is desirable. Specific examples include decane and / or dodecane.
また、多孔体焼結粗粒子分散液には、本発明の作用効果を損なわない範囲内で、必要に応じて、造孔剤などの各種添加剤を適宜、適量用いても良い。 In addition, in the porous sintered coarse particle dispersion, various additives such as a pore-forming agent may be appropriately used in an appropriate amount as long as the effects of the present invention are not impaired.
上記造孔剤は、次工程のホットプレスによりガス化し、GDL成膜内部の多孔体焼結粗粒子同士間に形成される空孔(大径貫通孔)の径と数を制御する目的で用いられるものである。特に、造孔剤の添加量や粒径を揃えることなどにより、比較的簡単に孔径サイズのそろった比較的大きな空孔(大径貫通孔)を作ることができる。これにより、設計どおりの孔径と分布を得ることができる点で優れている。 The pore former is gasified by hot pressing in the next step and used for the purpose of controlling the diameter and number of pores (large-diameter through holes) formed between porous sintered coarse particles inside the GDL film. It is what In particular, relatively large pores (large-diameter through-holes) having a uniform pore size can be made relatively easily by making the addition amount and particle size of the pore-forming agent uniform. This is excellent in that the hole diameter and distribution as designed can be obtained.
上記造孔剤としては、特に制限されるものではなく、例えば、NaClなどの塩の粒子、銅、亜鉛などの金属粒子を用いることができる。ただし、本発明では、これらに何ら制限されるものではない。また、これら造孔剤は、1種単独で用いても良いし、2種以上を併用しても良い。なお、造孔剤に金属粒子を用いる場合には、例えば、次工程のホットプレスの際に、外部からの磁力作用などを利用して該金属粒子をGDLから外部に取り出すことで、GDL成膜内部の多孔体焼結粗粒子同士間に形成される空孔(大径貫通孔)の径と数を制御するようにしてもよい。 The pore-forming agent is not particularly limited, and for example, salt particles such as NaCl and metal particles such as copper and zinc can be used. However, the present invention is not limited to these. Moreover, these pore formers may be used individually by 1 type, and may use 2 or more types together. In the case of using metal particles for the pore-forming agent, for example, when hot pressing is performed in the next step, the metal particles are taken out from the GDL by using an external magnetic force action or the like, thereby forming a GDL film. You may make it control the diameter and number of the void | hole (large diameter through-hole) formed between internal porous body sintered coarse particles.
上記造孔剤の大きさは、目的とする大径貫通孔の孔径が得られるように適宜調整すればよく、1〜50μm、好ましくは5〜30μmの範囲である。 What is necessary is just to adjust suitably the magnitude | size of the said pore making material so that the hole diameter of the target large diameter through-hole may be obtained, and it is the range of 1-50 micrometers, Preferably it is 5-30 micrometers.
上記造孔剤の配合量としては、多孔体焼結粗粒子分散液(造孔剤を含む)に対して5〜25質量%、好ましくは10〜20質量%の範囲である。造孔剤の配合量が25質量%を超えると、強度が低下し、比抵抗が増加するものである。一方、造孔剤の配合量が5質量%未満の場合には、効果が少ないものである。 The amount of the pore former is 5 to 25% by mass, preferably 10 to 20% by mass with respect to the porous sintered coarse particle dispersion (including the pore former). When the compounding amount of the pore former exceeds 25% by mass, the strength decreases and the specific resistance increases. On the other hand, when the amount of the pore-forming agent is less than 5% by mass, the effect is small.
本工程では、図6Cに示すように、まず、溶剤に、多孔体焼結粗粒子72(図7B参照)を添加し、さらに必要に応じて造孔剤などの添加剤を加え、適当な撹拌装置で混合して多孔体焼結粗粒子分散液(再インク)73を調製する。 In this step, as shown in FIG. 6C, first, porous sintered coarse particles 72 (see FIG. 7B) are added to the solvent, and additives such as a pore-forming agent are added as necessary, and appropriate stirring is performed. The porous body sintered coarse particle dispersion (reink) 73 is prepared by mixing with an apparatus.
なお、造孔剤などの添加剤は、予め溶剤に添加し、混合分散させた後に(撹拌しながら)、多孔体焼結粗粒子72を添加し、分散させてもよいなど、特に制限されるものではない。 It should be noted that additives such as a pore-forming agent are particularly limited, for example, the porous sintered coarse particles 72 may be added and dispersed after being added to a solvent in advance and mixed and dispersed (while stirring). It is not a thing.
(ii)GDL成膜工程(図7D,E参照)
本工程では、前記多孔体焼結粗粒子分散液を基材に塗布し、乾燥後ホットプレスして成膜し、前記基材と分離してGDLを得るものである。
(Ii) GDL film forming process (see FIGS. 7D and 7E)
In this step, the porous sintered coarse particle dispersion is applied to a substrate, dried, hot-pressed to form a film, and separated from the substrate to obtain GDL.
本工程では、図7Dに示すように、前記多孔体焼結粗粒子分散液73を適当な基材74に、適当な方法にて塗布し、乾燥し、ホットプレスしてGDL75を成膜する。これを、基材74から適当な方法で分離(基材剥離)することで、図7Eに示すように、GDLの膜(シート)76を得ることができる。 In this step, as shown in FIG. 7D, the porous sintered coarse particle dispersion 73 is applied to an appropriate base material 74 by an appropriate method, dried, and hot pressed to form a GDL 75 film. By separating (separating the substrate) from the substrate 74 by an appropriate method, a GDL film (sheet) 76 can be obtained as shown in FIG. 7E.
ここで、基材74には、乾燥、ホットプレス段階で熱的、機械的、化学的に安定なものであればよく、例えば、Al箔、カラス板、ステンレス板などを用いることができる。好ましくは、GDL75を基材74から剥離するのが容易なように剥離性に優れたものが望ましく、例えば、Al箔などを好適に利用することができる。 Here, the base material 74 may be any material that is thermally, mechanically, and chemically stable in the drying and hot pressing stages. For example, an Al foil, a crow plate, a stainless steel plate, or the like can be used. Preferably, a material excellent in peelability is desirable so that it is easy to peel the GDL 75 from the substrate 74, and for example, an Al foil or the like can be suitably used.
ここで、前記多孔体焼結粗粒子分散液73を基材74に塗布する方法としては、特に制限されるものではなく、従来公知の各種塗布方法を利用することができるものである。具体的には、例えば、ダイコーターなどを用いて塗布することができる。本塗布段階では、既に焼成後であるため撥水剤粒子のフィブリル化は起こらないので、特にせん断応力などに留意することなく、最適な塗布方法を適用すればよい。したがって、スプレーなどの塗布方法なども利用可能である。 Here, the method for applying the porous sintered coarse particle dispersion 73 to the substrate 74 is not particularly limited, and various conventionally known application methods can be used. Specifically, it can apply | coat using a die-coater etc., for example. In this application stage, since the repellency of the water repellent particles does not occur because it has already been baked, an optimum application method may be applied without paying particular attention to shear stress and the like. Therefore, application methods such as spraying can also be used.
上記乾燥条件としては、50〜150℃で1〜6時間程度であればよい。乾燥温度までの昇温速度は、10〜100℃/分、好ましくは20〜50℃/分の範囲で行うのが望ましい。本乾燥段階では、既に焼成後であるため撥水剤粒子のフィブリル化は起こらないので、特にせん断応力などに留意することなく、最適な乾燥方法を適用すればよい。したがって、減圧乾燥や真空乾燥なども利用可能である。 As said drying conditions, what is necessary is just about 1 to 6 hours at 50-150 degreeC. The heating rate up to the drying temperature is 10 to 100 ° C./min, preferably 20 to 50 ° C./min. In the final drying stage, since the fibrillation of the water repellent particles does not occur because it is already after firing, an optimal drying method may be applied without paying particular attention to shear stress and the like. Accordingly, vacuum drying or vacuum drying can be used.
ホットプレス条件としては、撥水剤粒子の融点以上、好ましくは撥水剤粒子の融点より5〜50℃高い加熱温度で、圧力20kg/cm2以上、好ましくは10〜50kg/cm2で、5秒間〜5分間、好ましくは30秒間〜2分間ホットプレスすることで、GDL75を成膜することができる。 The hot pressing conditions, than the melting point of the water repellent particles, preferably at 5 to 50 ° C. higher heating temperatures than the melting point of the water repellent particles, pressure 20 kg / cm 2 or more, preferably 10 to 50 kg / cm 2, 5 GDL75 can be formed by hot pressing for 2 seconds to 5 minutes, preferably 30 seconds to 2 minutes.
また、GDL75の厚さは、既に説明したとおりである。 Further, the thickness of the GDL 75 is as already described.
該GDL75を基材74から剥離することで、図7Eに示すように、GDLの(緻密な)膜76を得ることができる。こうして、得られたGDL膜76には、図3に示すように、硬い緻密な粒子(多孔体焼結粗粒子)の中に存在する比較的小径の貫通孔(平均細孔径0.2μm以下、好ましくは0.1μm以下)と、該粒子間に存在する比較的大径の貫通孔(平均細孔径0.5μm以上、好ましくは5μm以上)とが無数にあり、ホットプレスをしても粒子間に存在する比較的大径の貫通孔が残っている。尚、硬い緻密な粒子(多孔体焼結粗粒子)の中に存在する比較的小径の貫通孔に関しても、上述したように焼成までにせん断応力をかけないようにすることで、撥水剤粒子のフィブリル化が抑えられるため、ホットプレスをしても比較的小径の貫通孔も潰れないまま残っている。そのため、該GDL膜76では、既存のカーボンクロスなどのGDLと同様に優れた水透過性及びガス拡散性を有するものであり、なおかつ、カーボン繊維、更にはフィルリル化された撥水剤粒子を含まない為、電池スタック内で長期にわたり加圧条件下にあっても、カーボン繊維による電極間の突き抜けによる短絡や撥水剤のフィルリル化による大径貫通孔の潰れながなく、優れたガス拡散性を長期間、安定した保持することができるものである。 By peeling the GDL 75 from the base material 74, a GDL (dense) film 76 can be obtained as shown in FIG. 7E. Thus, the obtained GDL film 76 has relatively small through-holes (average pore diameter of 0.2 μm or less, present in hard dense particles (porous sintered coarse particles) as shown in FIG. Preferably 0.1 μm or less) and relatively large through-holes (average pore diameter of 0.5 μm or more, preferably 5 μm or more) existing between the particles. The relatively large-diameter through-hole existing in As described above, the water repellent particles are prevented from being subjected to shear stress before firing even for relatively small diameter through-holes present in hard dense particles (porous sintered coarse particles). Therefore, even if hot pressing is performed, a relatively small diameter through hole remains uncrushed. Therefore, the GDL film 76 has excellent water permeability and gas diffusibility like the existing GDL such as carbon cloth, and further includes carbon fibers and further filled water repellent particles. Therefore, even under pressure conditions for a long time in the battery stack, there is no short circuit due to penetration between electrodes due to carbon fibers and no collapse of large-diameter through-holes due to fillylation of water repellent, and excellent gas diffusibility Can be held stably for a long period of time.
すなわち、得られたGDL膜76の物性としては、ガス透過能は大きな空孔(粒子間に存在する比較的大きな大径貫通孔)があるので、同じカーボン粒子と撥水剤粒子を用いてロール法で作製したGDLに対し10倍以上、好ましくは20〜50倍を有する。また、GDL膜76の引っ張り強度は20kgf/cm2以上、好ましくは20〜40kgf/cm2であり、比抵抗は0.25Ωcm以下、好ましくは0.2Ωcm以下であるのが望ましい。 That is, as a physical property of the obtained GDL film 76, since there are vacancies having a large gas permeability (relatively large through-holes existing between particles), a roll using the same carbon particles and water repellent particles is used. 10 times or more, preferably 20 to 50 times the GDL produced by the method. The tensile strength of the GDL film 76 is 20 kgf / cm 2 or more, preferably 20 to 40 kgf / cm 2 , and the specific resistance is 0.25 Ωcm or less, preferably 0.2 Ωcm or less.
(4)製法1,2により得られた多孔体焼結粗粒子を用いたGDLの製造方法(製法4)について
本発明のGDLの製造方法の代表的な他の実施形態(製法4と称する)としては、上記製法1または製法2により得られた多孔体焼結粗粒子を、金型に充填してホットプレスすることでGDLを得る(GDL作製工程)ものである。かかる製造方法により、製造工数が少なく、10〜200μm程度の、厚みムラの少ないGDLを作製することが出来る点で優れている。また、製法3のように、溶剤を用いない為、溶剤回収設備など環境対策が容易である点でも優れている。
(4) GDL production method (production method 4) using porous sintered coarse particles obtained by production methods 1 and 2 Another representative embodiment of the GDL production method of the present invention (referred to as production method 4) As described above, GDL is obtained by filling the hot-pressed porous body sintered coarse particles obtained by the above production method 1 or production method 2 into a mold (GDL production step). This manufacturing method is excellent in that it can produce a GDL with a small number of manufacturing steps and a small thickness unevenness of about 10 to 200 μm. Moreover, since the manufacturing method 3 does not use a solvent, it is excellent in that environmental measures such as solvent recovery equipment are easy.
(i)GDL作製工程
本製法4では、上記製法1または製法2により得られた多孔体焼結粗粒子を、金型に充填してホットプレスすることでGDLを得るものである(図示せず)。
(I) GDL production process In this production method 4, GDL is obtained by filling the porous sintered coarse particles obtained by the above production method 1 or production method 2 into a mold and hot pressing (not shown). ).
本製法では、上記製法1または製法2によって分級された一定粒径以下、例えば、150μm以下(平均粒径120μm程度)の多孔体焼結粗粒子、更に必要に応じて、造孔剤などの各種添加剤を適宜、適量加えて均一に混合したものを、適当な金型(治具)に入れ、ホットプレスしてGDLを作製する。 In this production method, porous sintered coarse particles having a certain particle size or less, for example, 150 μm or less (average particle size of about 120 μm) classified by the production method 1 or 2, and, if necessary, various kinds of pore forming agents, etc. Appropriate amounts of additives are appropriately added and uniformly mixed, placed in a suitable mold (jig), and hot-pressed to produce GDL.
上記造孔剤などの添加剤については、製法3と同様である。 Additives such as the pore former are the same as in Production Method 3.
また、適当な金型(治具)としては、特に制限されるものではなく、従来公知のホットプレス用金型を利用することができる。 Moreover, as a suitable metal mold | die (jig), it does not restrict | limit in particular, A conventionally well-known hot press metal mold | die can be utilized.
ホットプレス条件としては、撥水剤粒子の融点以上、好ましくは撥水剤粒子の融点より5〜20℃高い加熱温度で、圧力10kg/cm2以上、好ましくは20〜150kg/cm2で、0.5〜3分間、好ましくは1〜2分間ホットプレスすることで、GDLを作製することができる。 The hot pressing conditions, than the melting point of the water repellent particles, preferably at 5 to 20 ° C. higher heating temperatures than the melting point of the water repellent particles, pressure 10 kg / cm 2 or more, preferably 20~150kg / cm 2, 0 GDL can be produced by hot pressing for 5 to 3 minutes, preferably 1 to 2 minutes.
また、GDLの構成および厚さは、既に説明したとおりである。 Further, the configuration and thickness of the GDL are as already described.
さらに、GDLの物性に関しても、製法3で説明したと同様である。 Further, the physical properties of GDL are the same as described in Production Method 3.
なお、本発明のGDLの上記製法3、4においては、ホットプレスにおいて、インプリント技術、特に、本発明に適したナノインプリント技術を用いて、多孔体焼結粗粒子同士間に形成される空孔の径と数を制御するようにしてもよい。すなわち、ホットメルトに用いる金型やモールドにインプリント技術により、所望大径貫通孔(大径貫通孔の孔径及び数及び配列)に対応する凹凸パターンを形成しておくことで、ホットメルト時に型押し、所望のパターンをGDL膜に転写することで、多孔体焼結粗粒子同士間に形成される空孔の径と数を制御することができるものである。 In addition, in the said manufacturing methods 3 and 4 of GDL of this invention, the void | hole formed between porous body sintered coarse particles in a hot press using the imprint technique, especially the nanoimprint technique suitable for this invention. The diameter and number may be controlled. That is, by forming an uneven pattern corresponding to the desired large-diameter through-holes (hole diameter and number and arrangement of large-diameter through-holes) on a mold or mold used for hot-melt by imprint technology, By pressing and transferring the desired pattern to the GDL film, the diameter and number of pores formed between the porous sintered coarse particles can be controlled.
以上が、本発明のGDLに関する説明である。但し、本発明では、図2Dに示すように、GDL13a、13bをそれぞれ基材13−2a、13−2bとカーボン粒子層(以下、単にMILともいう)131a、131bとからなる2層構造としてもよい。この場合、通常は、導電性及び多孔質性を有するシート状材料の基材132a、132b上に、撥水剤を含むカーボン粒子の集合体からなるMIL131a、131bを有する構成とするものである。本発明では、上記した本発明に係るGDL13a、13bの構成を、基材132a、132bとMIL131a、131bのいずれに適用してもよいが、好ましくは下記(a)のようにMIL131a、131bに本発明のGDLの大小2つの空孔(貫通孔)を持つ構成(図2B、2C参照)を適用するのが望ましい。GDLを基材とMILの2層に分けて用いる場合でも、本発明の作用効果を十分に奏することができるものである。特に下記(a)では、従来、薄く高精度のMILを作成するのは困難であり、また従来のMILの構成としては、従来技術で説明したようにカーボンブラック粒子とPTFE粒子で構成されており、従来技術で説明したと同様の課題を有するものであった。本発明では、当該MIL131a、131bの構成に、上述した本発明のGDLの大小2つの空孔(貫通孔)を持つ構成(図2B、2C参照)を適用することで、薄く高精度のMILを作成することができ、なおかつ、従来技術で説明したと同様の課題を解決することができるものである。 The above is the description regarding the GDL of the present invention. However, in the present invention, as shown in FIG. 2D, the GDLs 13a and 13b may have a two-layer structure including base materials 13-2a and 13-2b and carbon particle layers (hereinafter also simply referred to as MIL) 131a and 131b. Good. In this case, normally, the MIL 131a and 131b made of an aggregate of carbon particles containing a water repellent agent are provided on the base materials 132a and 132b of sheet-like material having conductivity and porosity. In the present invention, the above-described configuration of the GDLs 13a and 13b according to the present invention may be applied to any of the base materials 132a and 132b and the MILs 131a and 131b. However, the present invention is preferably applied to the MILs 131a and 131b as shown in (a) below. It is desirable to apply a configuration (see FIGS. 2B and 2C) having two holes (through holes) of the GDL of the invention. Even when the GDL is divided into two layers of the base material and the MIL, the effects of the present invention can be sufficiently achieved. Particularly in the following (a), it has been difficult to produce a thin and high-precision MIL, and the conventional MIL is composed of carbon black particles and PTFE particles as described in the prior art. However, it has the same problem as described in the prior art. In the present invention, a thin and high-accuracy MIL can be obtained by applying the above-described configuration having two large and small holes (through holes) of the GDL of the present invention (see FIGS. 2B and 2C) to the configuration of the MIL 131a and 131b. It can be created, and can solve the same problems as described in the prior art.
即ち、GDLを基材とMILの2層に分けて用いる場合には、(a)既存の基材+本発明のGDLの構成を有するMIL、または(b)本発明のGDLの構成を有する基材+既存のMIL、の組み合わせのいずれでもよい。なお、基材とMILの双方に本発明のGDLの構成する場合には、2つに分けることなく、1つのGDLとして適用すればよいことになり、既に本発明に係るGDLとして上述した通りである。 That is, when GDL is divided into two layers of a base material and a MIL, (a) an existing base material + MIL having the GDL configuration of the present invention, or (b) a base having the GDL configuration of the present invention. Any combination of material + existing MIL may be used. When the GDL of the present invention is configured on both the base material and the MIL, it may be applied as one GDL without being divided into two, as already described above as the GDL according to the present invention. is there.
上記(a)での既存の基材としては、特に制限されるものではなく、公知のものが同様にして使用でき、例えば、炭素製の織物、紙状抄紙体、フェルト、不織布といった導電性及び多孔質性を有するシート状材料を基材とするものなどが挙げられる。前記基材132a、132bの厚さは、それぞれMIL131a、131bを加えたGDL13a、13bの全体の特性を考慮して適宜決定すればよいが、50〜500μm、好ましくは100〜200μmとするのが望ましい。厚さが、50μm未満であると十分な機械的強度などが得られない恐れがあり、500μmを超えるとガスや水などが透過する距離が長くなり望ましくない。 The existing base material in the above (a) is not particularly limited, and known materials can be used in the same manner. For example, the conductive material such as a carbon woven fabric, a paper-like paper body, a felt, and a non-woven fabric can be used. The thing etc. which use the sheet-like material which has porosity as a base material are mentioned. The thicknesses of the base materials 132a and 132b may be appropriately determined in consideration of the overall characteristics of the GDLs 13a and 13b to which MIL 131a and 131b are added, respectively, but are desirably 50 to 500 μm, preferably 100 to 200 μm. . If the thickness is less than 50 μm, sufficient mechanical strength or the like may not be obtained, and if it exceeds 500 μm, the distance through which gas or water permeates is undesirably increased.
前記基材132a、132bは、撥水性をより高めてフラッディング現象などを防ぐことを目的として、前記基材に撥水剤を含ませることが好ましい。前記撥水剤としては、特に限定されないが、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)などのフッ素系の高分子材料、ポリプロピレン、ポリエチレンなどが挙げられる。 The base materials 132a and 132b preferably contain a water repellent for the purpose of further improving water repellency and preventing flooding. Although it does not specifically limit as said water repellent, Fluorine-type, such as polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylidene fluoride (PVDF), polyhexafluoropropylene, tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer (FEP), etc. Examples thereof include polymer materials, polypropylene, and polyethylene.
上記(a)でのMIL131a、131bに関しては、上記した本発明のGDL13a、13bの構成が適用できるため、ここでの説明は省略する。 Regarding the MILs 131a and 131b in (a) above, the configuration of the GDLs 13a and 13b of the present invention described above can be applied, and thus the description thereof is omitted here.
ただし、上記(a)でのMIL131a、131bの厚さも、それぞれ上記既存の基材132a、132bを加えたGDL13a、13bの全体の特性を考慮して適宜決定すればよいが、10〜100μm、好ましくは20〜50μmとすればよい。厚さが、10μm未満であると、取り扱い性が困難であるほか、十分な機械的強度などが得られない恐れがあり、100μmを超えると、ガスや水などが透過する距離が長くなり望ましくない。 However, the thicknesses of the MILs 131a and 131b in (a) may be appropriately determined in consideration of the overall characteristics of the GDLs 13a and 13b including the existing base materials 132a and 132b, respectively. May be 20 to 50 μm. If the thickness is less than 10 μm, handling properties may be difficult, and sufficient mechanical strength may not be obtained. If the thickness exceeds 100 μm, the distance through which gas or water permeates is undesirably increased. .
次に、上記(b)でのMIL131a、131bに関しては、上記した本発明のGDL13a、13bの構成が適用できるため、ここでの説明は省略する。 Next, regarding the MIL 131a and 131b in (b) above, the configuration of the GDLs 13a and 13b of the present invention described above can be applied, and thus description thereof is omitted here.
上記(b)での既存のMIL131a、131bとしては、撥水性をより向上させるために、本発明のGDLの構成を適用した基材上に、撥水剤を含むカーボン粒子の集合体からなる既存のMILを用いてもよい。 As the existing MILs 131a and 131b in (b), an existing MIL 131a and 131b made of an aggregate of carbon particles containing a water repellent agent on a substrate to which the GDL configuration of the present invention is applied in order to further improve the water repellency. MIL may be used.
上記(b)のMIL131a、131bに用いられるカーボン粒子としては、特に限定されず、カーボンブラック、黒鉛、膨張黒鉛などの従来一般的なものであればよい。なかでも、電子伝導性に優れ、比表面積が大きいことから、オイルファーネスブラック、チャネルブラック、ランプブラック、サーマルブラック、アセチレンブラックなどのカーボンブラックが好ましく挙げられる。前記カーボン粒子の平均粒径は、10〜100nm程度とするのがよい。これにより、毛細管力による高い排水性が得られるとともに、触媒層との接触性も向上させることが可能となる。 The carbon particles used in the MIL 131a and 131b in (b) are not particularly limited, and may be conventional ones such as carbon black, graphite, and expanded graphite. Of these, carbon blacks such as oil furnace black, channel black, lamp black, thermal black, and acetylene black are preferred because of their excellent electron conductivity and large specific surface area. The average particle diameter of the carbon particles is preferably about 10 to 100 nm. Thereby, while being able to obtain the high drainage property by capillary force, it becomes possible to improve contact property with a catalyst layer.
上記(b)のMIL131a、131bに用いられる撥水剤としては、上記(a)の既存の基材132a、132bに用いられる上述した撥水剤と同様のものが挙げられる。なかでも、撥水性、電極反応時の耐食性などに優れることから、フッ素系の高分子材料が好ましく用いられる。 Examples of the water repellent used in the MIL 131a and 131b in (b) above include the same water repellent as that used in the existing base materials 132a and 132b in (a). Of these, fluorine-based polymer materials are preferably used because of their excellent water repellency and corrosion resistance during electrode reaction.
上記(b)のMIL131a、131bにおける、カーボン粒子と撥水剤との混合比は、カーボン粒子が多過ぎると期待するほど撥水性が得られない恐れがあり、撥水剤が多過ぎると十分な電子伝導性が得られない恐れがある。これらを考慮して、当該MILにおけるカーボン粒子と撥水剤との混合比は、質量比で、90:10〜40:60程度とするのがよい。 The mixing ratio of the carbon particles to the water repellent in the MIL 131a, 131b of (b) above may not be able to provide water repellency as expected when there are too many carbon particles. There is a risk that electron conductivity may not be obtained. Considering these, the mixing ratio of the carbon particles and the water repellent in the MIL is preferably about 90:10 to 40:60 in mass ratio.
上記(b)のMIL131a、131bの厚さは、それぞれ本発明のGDL13a、13bの構成を適用した基材を加えたGDL全体の撥水性を考慮して適宜決定すればよい。 The thicknesses of the MILs 131a and 131b in (b) may be appropriately determined in consideration of the water repellency of the entire GDL including the base material to which the GDLs 13a and 13b of the present invention are applied.
上記(a)や(b)において、GDLの基材やMILに撥水剤を含有させる場合には、一般的な撥水処理方法を用いて行えばよい。例えば、GDLに用いられる基材を撥水剤の分散液に浸漬した後、オーブン等で加熱乾燥させる方法などが挙げられる。 In the above (a) and (b), when a GDL substrate or MIL contains a water repellent, a general water repellent treatment method may be used. For example, after immersing the base material used for GDL in the dispersion liquid of a water repellent, the method of heat-drying in oven etc. is mentioned.
上記(a)や(b)のGDLにおいて、転写用台紙上にMILを形成する場合には、カーボン粒子、撥水剤等を、水、パーフルオロベンゼン、ジクロロペンタフルオロプロパン、メタノール、エタノール等のアルコール系溶媒などの溶媒中に分散させることによりスラリーを調製し、前記スラリーを転写用台紙上に塗布し乾燥、もしくは、前記スラリーを一度乾燥させ粉砕することで粉体にし、これを前記基材上に塗布する方法などを用いればよい。その後、マッフル炉や焼成炉を用いて250〜400℃程度で熱処理を施すのが好ましい。 In the GDL of the above (a) or (b), when MIL is formed on a transfer mount, carbon particles, a water repellent, etc. are used such as water, perfluorobenzene, dichloropentafluoropropane, methanol, ethanol, etc. A slurry is prepared by dispersing it in a solvent such as an alcohol solvent, and the slurry is applied on a transfer mount and dried, or the slurry is dried once and pulverized to form a powder, which is then used as the substrate. What is necessary is just to use the method of apply | coating on the top. Then, it is preferable to heat-process at about 250-400 degreeC using a muffle furnace or a baking furnace.
(2)電解質膜11
本発明のMEA及びこれを用いた燃料電池に用いることのできる電解質膜11は、高いプロトン伝導性を有していればよい。高いプロトン伝導性を有する膜としては、−SO3H基などのイオン交換基を有するモノマーの重合体または共重合体;またはイオン交換基を有するモノマーと他のモノマーとの重合体などの公知の材料からなる膜を用いることができる。かかる電解質膜11の材質としては、具体的には、ポリマー骨格の全部又は一部がフッ素化されたフッ素系樹脂であってイオン交換基を備えた電解質、または、ポリマー骨格にフッ素を含まない芳香族系炭化水素樹脂であってイオン交換基を備えた電解質、などが挙げられる。
(2) Electrolyte membrane 11
The electrolyte membrane 11 that can be used in the MEA of the present invention and a fuel cell using the MEA only needs to have high proton conductivity. Examples of the membrane having high proton conductivity include a polymer or copolymer of a monomer having an ion exchange group such as —SO 3 H group; or a polymer of a monomer having an ion exchange group and another monomer. A film made of a material can be used. Specific examples of the material of the electrolyte membrane 11 include an electrolyte having a fluorinated resin in which all or part of the polymer skeleton is fluorinated and having an ion exchange group, or an aromatic that does not contain fluorine in the polymer skeleton. An electrolyte having an ion exchange group, which is a group hydrocarbon resin.
前記イオン交換基としては、特に制限されないが、−SO3H、−COOH、−PO(OH)2、−POH(OH)、−SO2NHSO2−、−Ph(OH)(Phはフェニル基を表す)等の陽イオン交換基、−NH2、−NHR、−NRR’、−NRR’R’’+、−NH3 +等(R、R’、R’’は、アルキル基、シクロアルキル基、アリール基等を表す)等の陰イオン交換基などが挙げられる。 Examples of the ion-exchange group is not particularly limited, -SO 3 H, -COOH, -PO (OH) 2, -POH (OH), - SO 2 NHSO 2 -, - Ph (OH) (Ph represents a phenyl group A cation exchange group such as —NH 2 , —NHR, —NRR ′, —NRR′R ″ + , —NH 3 + and the like (R, R ′, R ″ represent an alkyl group, cycloalkyl Anion exchange groups such as a group, an aryl group, and the like.
前記フッ素系樹脂であってイオン交換基を備えた電解質としては、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ポリマー、ポリトリフルオロスチレンスルフォン酸系ポリマー、パーフルオロカーボンホスホン酸系ポリマー、トリフルオロスチレンスルホン酸系ポリマー、エチレンテトラフルオロエチレン−g−スチレンスルホン酸系ポリマー、エチレン‐テトラフルオロエチレン共重合体、ポリテトラフルオロエチレン−g−ポリスチレンスルホン酸系ポリマー、ポリフッ化ビニリデン−g−ポリスチレンスルホン酸系ポリマーなどが好適な一例として挙げられる。 Specific examples of the electrolyte having a fluorine resin and having an ion exchange group include Nafion (registered trademark, manufactured by DuPont), Aciplex (registered trademark, manufactured by Asahi Kasei Co., Ltd.), and Flemion (registered trademark, Asahi Glass). Perfluorocarbon sulfonic acid polymer, polytrifluorostyrene sulfonic acid polymer, perfluorocarbon phosphonic acid polymer, trifluorostyrene sulfonic acid polymer, ethylenetetrafluoroethylene-g-styrene sulfonic acid polymer, Suitable examples include ethylene-tetrafluoroethylene copolymer, polytetrafluoroethylene-g-polystyrene sulfonic acid polymer, and polyvinylidene fluoride-g-polystyrene sulfonic acid polymer.
前記芳香族系炭化水素樹脂であってイオン交換基を備えた電解質としては、具体的には、ポリサルホンスルホン酸系ポリマー、ポリエーテルエーテルケトンスルホン酸系ポリマー、ポリベンズイミダゾールアルキルスルホン酸系ポリマー、ポリベンズイミダゾールアルキルホスホン酸系ポリマー、架橋ポリスチレンスルホン酸系ポリマー、ポリエーテルサルホンスルホン酸系ポリマー等が好適な一例として挙げられる。 Specific examples of the electrolyte that is an aromatic hydrocarbon resin and includes an ion exchange group include a polysulfone sulfonic acid polymer, a polyether ether ketone sulfonic acid polymer, a polybenzimidazole alkyl sulfonic acid polymer, Preferred examples include benzimidazole alkylphosphonic acid polymers, cross-linked polystyrene sulfonic acid polymers, polyethersulfone sulfonic acid polymers, and the like.
電解質膜11の材質は、高いイオン交換能を有し、化学的耐久性・力学的耐久性、などに優れることから、前記フッ素系ポリマーであってイオン交換基を備えた電解質を用いるのが好ましく、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)などがより好ましく利用できる。 Since the material of the electrolyte membrane 11 has high ion exchange ability and is excellent in chemical durability and mechanical durability, it is preferable to use an electrolyte that is the above-mentioned fluorine-based polymer and has an ion exchange group. Of these, Nafion (registered trademark, manufactured by DuPont), Aciplex (registered trademark, manufactured by Asahi Kasei Co., Ltd.) and the like can be more preferably used.
電解質膜11の膜厚は、得られる燃料電池の特性を考慮して適宜決定することができるが、5〜300μmが好ましく、より好ましくは10〜200μm、特に好ましくは15〜150μmである。電解質膜の膜厚が5μm以上であると製膜時の強度や燃料電池作動時の耐久性の点から好ましく、300μm以下であると燃料電池作動時の出力特性の点から好ましい。 The thickness of the electrolyte membrane 11 can be appropriately determined in consideration of the characteristics of the obtained fuel cell, but is preferably 5 to 300 μm, more preferably 10 to 200 μm, and particularly preferably 15 to 150 μm. The thickness of the electrolyte membrane is preferably 5 μm or more from the viewpoint of strength during film formation and durability during operation of the fuel cell, and is preferably 300 μm or less from the viewpoint of output characteristics during operation of the fuel cell.
なお、本発明では、燃料電池のアノード及びカソードの両電極間に介在される電解質成分を含有してなる構成部材を、電解質膜と称したが、決してその名称に拘泥されるものではなく、燃料電池に用いられる使用目的からみて、例えば、電解質層や電解質などと称される場合であっても、本発明でいう電解質膜に含まれる場合があることはいうまでもない。他の構成要件についても同様であり、その名称に拘泥されるものではなく、使用目的に照らしてその同一性を判断すればよい。 In the present invention, the constituent member containing the electrolyte component interposed between the anode and cathode electrodes of the fuel cell is referred to as an electrolyte membrane. It goes without saying that even if it is referred to as an electrolyte layer or an electrolyte, for example, it may be included in the electrolyte membrane according to the present invention in view of the purpose of use used in the battery. The same applies to the other component requirements, and the identity is not limited to the name, but the identity may be determined in light of the purpose of use.
(3)触媒層12
本発明のMEA及びこれを用いた燃料電池に用いることのできるアノードおよびカソード触媒層12a、12bは、主として、導電性担体に触媒粒子が担持されてなる電極触媒(触媒物質)と、プロトン導電性を有する電解質(バインダないしアイオノマとも称する)とで構成されている。以下、これらの構成部材ごとに説明する。
(3) Catalyst layer 12
The anode and cathode catalyst layers 12a and 12b that can be used in the MEA of the present invention and a fuel cell using the MEA mainly include an electrode catalyst (catalyst material) in which catalyst particles are supported on a conductive carrier, and proton conductivity. And an electrolyte (also referred to as a binder or an ionomer). Hereinafter, each of these components will be described.
(i)電極触媒
電極触媒は、触媒粒子が導電性担体に担持されてなるものである。
(I) Electrode catalyst The electrode catalyst is formed by supporting catalyst particles on a conductive carrier.
ここで、カソード触媒層に用いられる触媒粒子は、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同様にして使用できる。また、アノード触媒層に用いられる触媒粒子もまた、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、及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。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%とするのがよい。カソード触媒を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。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、本願ではいずれであってもよい。この際、カソード触媒層に用いられる触媒粒子及びアノード触媒層に用いられる触媒粒子は、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、カソード触媒層及びアノード触媒層用の触媒粒子についての説明は、両者について同様の定義であり、一括して、「触媒粒子」と称する。しかしながら、カソード触媒層及びアノード触媒層用の触媒粒子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。 Here, the catalyst particles used in the cathode catalyst layer are not particularly limited as long as they have a catalytic action in the oxygen reduction reaction, and known catalysts can be used in the same manner. Also, the catalyst particles used in the anode catalyst layer are not particularly limited as long as they have a catalytic action in the oxidation reaction of hydrogen, and known catalysts 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 and the like, 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. The composition of the alloy is preferably 30 to 90 atomic% for platinum and 10 to 70 atomic% for the metal to be alloyed, depending on the type of metal to be alloyed. The composition of the alloy when the alloy is used as a 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 It is preferable to set it to -70 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. The alloy structure consists of a eutectic alloy, which is a mixture of component elements that form separate crystals, a component element that completely dissolves into a solid solution, and a component element that is an intermetallic compound or a compound of a metal and a nonmetal. There is what is formed, and any may be used in the present application. At this time, the catalyst particles used for the cathode catalyst layer and the catalyst particles 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 particles for the cathode catalyst layer and the anode catalyst layer have the same definition for both, and are collectively referred to as “catalyst particles”. However, the catalyst particles for the cathode catalyst layer and the anode catalyst layer do not need to be the same, and are appropriately selected so as to exhibit the desired action as described above.
触媒粒子の形状や大きさは、特に制限されず公知の触媒粒子と同様の形状及び大きさが使用できるが、触媒粒子は、粒状であることが好ましい。この際、触媒インクに用いられる触媒粒子の平均粒子径は、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。従って、触媒インクに含まれる触媒粒子の平均粒子径は、1〜30nm、より好ましくは1.5〜20nm、さらにより好ましくは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以下であることが好ましい。なお、本発明における「触媒粒子の平均粒径」は、X線回折における触媒粒子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粒子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 particles are not particularly limited, and the same shape and size as known catalyst particles can be used, but the catalyst particles are preferably granular. At this time, the smaller the average particle diameter of the catalyst particles used in the catalyst ink, the higher the effective electrode area where the electrochemical reaction proceeds, which is preferable because the oxygen reduction activity is also high, but in practice the average particle diameter 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 particles contained in the catalyst ink 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 preferably 30 nm or less from the viewpoint of catalyst utilization. The “average particle diameter of the catalyst particles” in the present invention is the average value of the particle diameter of the catalyst particles determined from the crystallite diameter or transmission electron microscope image obtained from the half width of the diffraction peak of the catalyst particles in X-ray diffraction. Can be measured.
前記導電性担体としては、触媒粒子を所望の分散状態で担持させるための比表面積を有し、集電体として十分な電子導電性を有しているものであればよく、主成分がカーボンであるのが好ましい。具体的には、カーボンブラック、活性炭、コークス、天然黒鉛、人造黒鉛などからなるカーボン粒子が挙げられる。なお、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 carrier may have any specific surface area for supporting the catalyst particles in a desired dispersed state and has sufficient electronic conductivity as a current collector. The main component is carbon. Preferably there is. Specific examples include carbon particles made of carbon black, activated carbon, coke, natural graphite, artificial graphite and the like. 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.
前記導電性担体のBET比表面積は、触媒粒子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20〜1600m2/g、より好ましくは80〜1200m2/gとするのがよい。前記比表面積が、20m2/g以上であると前記導電性担体への触媒粒子および高分子電解質の分散性が向上し、十分な発電性能が得られる点で優れている。一方、1600m2/g以下であると触媒粒子および高分子電解質の高い有効利用率を有効に保持することができる点で優れている。 The BET specific surface area of the conductive carrier may be a specific surface area sufficient to support highly dispersed catalyst particles, but is preferably 20 to 1600 m 2 / g, more preferably 80 to 1200 m 2 / g. Is good. When the specific surface area is 20 m 2 / g or more, the dispersibility of the catalyst particles and the polymer electrolyte in the conductive support is improved, which is excellent in that sufficient power generation performance can be obtained. On the other hand, if it is 1600 m 2 / g or less, it is excellent in that a high effective utilization rate of the catalyst particles and the polymer electrolyte can be effectively maintained.
また、前記導電性担体の大きさは、特に限定されないが、担持の容易さ、触媒利用率、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。 Further, the size of the conductive carrier is not particularly limited, but from the viewpoint of controlling the ease of loading, the catalyst utilization, and the thickness of the catalyst layer within an appropriate range, the average particle size is 5 to 200 nm, The thickness is preferably about 10 to 100 nm.
前記導電性担体に触媒粒子が担持された電極触媒において、触媒粒子の担持量は、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%以下であると、触媒粒子の導電性担体上での優れた分散度を有効に保持することができ、担持量の増加に見合った発電性能の向上効果を有効に発現させることができる利点がある。また、前記担持量が、10質量%以上であると、単位質量あたりの触媒活性に優れ、担持量に応じた所望の発電性能を得ることができる。そのため、所望の電池性能を確保するための担持量設計が比較的容易になし得る点で優れている。なお、触媒粒子の担持量は、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 catalyst particles are supported on the conductive support, the supported amount of the catalyst particles 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 supported amount is 80% by mass or less, the excellent dispersion degree of the catalyst particles on the conductive support can be effectively maintained, and the effect of improving the power generation performance commensurate with the increase in the supported amount is effectively achieved. There is an advantage that can be expressed. Further, when the supported amount is 10% by mass or more, the catalyst activity per unit mass is excellent, and desired power generation performance corresponding to the supported amount can be obtained. Therefore, it is excellent in that the carrying amount design for ensuring the desired battery performance can be made relatively easily. The amount of catalyst particles supported can be examined by inductively coupled plasma emission spectroscopy (ICP).
また、導電性担体への触媒粒子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 particles can be supported on the conductive support 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.
(ii)電解質
本発明のカソード触媒層/アノード触媒層(単に「触媒層」とも称する)には、電極触媒の他に、電解質が含まれる。前記電解質としては、特に限定されず、上記膜に用いたものと同様の高分子電解質が使用できる。前記膜に用いられる電解質と、各触媒層に用いられる電解質とは、同じであっても異なっていてもよいが、各触媒層と膜との密着性を向上させる観点から、同じものを用いるのが好ましい。すなわち、前記電解質としては、特に限定されず公知のものを用いることができるが、少なくとも高いプロトン伝導性を有する部材であればよい。この際使用できる電解質は、ポリマー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、ポリマー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。
(Ii) Electrolyte The cathode catalyst layer / anode catalyst layer (also simply referred to as “catalyst layer”) of the present invention contains an electrolyte in addition to the electrode catalyst. The electrolyte is not particularly limited, and the same polymer electrolyte as that used for the membrane can be used. The electrolyte used for the membrane and the electrolyte used for each catalyst layer may be the same or different, but from the viewpoint of improving the adhesion between each catalyst layer and the membrane, the same one is used. Is preferred. That is, the electrolyte is not particularly limited, and a known one can be used, but any member having at least high proton conductivity may be used. Electrolytes that can be used in this case are broadly classified into fluorine-based electrolytes containing fluorine atoms in all or part of the polymer skeleton and hydrocarbon-based electrolytes 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ポリマー、ポリトリフルオロスチレンスルフォン酸系ポリマー、パーフルオロカーボンホスホン酸系ポリマー、トリフルオロスチレンスルホン酸系ポリマー、エチレンテトラフルオロエチレン−g−スチレンスルホン酸系ポリマー、エチレン−テトラフルオロエチレン共重合体、ポリビニリデンフルオリド−パーフルオロカーボンスルホン酸系ポリマーなどが好適な一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 copolymer, polyvinylidene A preferred example is a fluoride-perfluorocarbon sulfonic acid-based polymer.
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一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 suitable example is sulfonic acid.
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.
上記電解質と触媒担持体との質量比は、順に、0.6:1〜1:1が好ましく、より好ましくは0.7:1〜0.9:1である。触媒担持体質量に対して高分子電解質の質量比が0.6倍以上であると触媒層内の良好なイオン伝導性の点で好ましく、1倍以下であると触媒層内のガス拡散及び水の排出の点で好ましい。 The mass ratio of the electrolyte to the catalyst carrier is preferably 0.6: 1 to 1: 1, and more preferably 0.7: 1 to 0.9: 1. When the mass ratio of the polymer electrolyte to the catalyst support mass is 0.6 times or more, it is preferable in terms of good ion conductivity in the catalyst layer, and when it is 1 times or less, gas diffusion and water in the catalyst layer This is preferable in terms of discharge.
各触媒層、特に触媒担持体表面や高分子電解質には、さらに、撥水性高分子や、その他の各種添加剤が被覆ないし含まれていてもよい。撥水性高分子が含まれていることにより、得られる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。撥水性高分子の混合量は、本発明の作用効果に影響を与えない範囲で適宜決定することができる。上述の撥水性高分子として例えば、ポリプロピレン、ポリエチレン、または、PTFE、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、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もしくはこれらのモノマーの共重合体(例えば、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など)などのフッ素系の高分子材料などを用いることができる。 Each catalyst layer, particularly the surface of the catalyst carrier and the polymer electrolyte, may further contain or contain a water-repellent polymer and other various additives. By containing the water-repellent polymer, the water repellency of the resulting catalyst layer can be increased, and water generated during power generation can be quickly discharged. The mixing amount of the water-repellent polymer can be appropriately determined within a range that does not affect the function and effect of the present invention. Examples of the water-repellent polymer include polypropylene, polyethylene, PTFE, polyvinylidene fluoride (PVDF), polytetrafluoroethylene, polyhexafluoropropylene, or a copolymer of these monomers (for example, tetrafluoroethylene-hexafluoro Fluorine polymer materials such as a propylene copolymer) can be used.
本発明における触媒層の厚さは、特に限定されないが、0.1〜100μmが好ましく、より好ましくは1〜20μmである。触媒層の厚さが0.1μm以上であると所望する発電量が得られる点で好ましく、100μm以下であると高出力を維持できる点で好ましい。 Although the thickness of the catalyst layer in this invention is not specifically limited, 0.1-100 micrometers is preferable, More preferably, it is 1-20 micrometers. When the thickness of the catalyst layer is 0.1 μm or more, it is preferable in that a desired power generation amount can be obtained, and when it is 100 μm or less, it is preferable in that a high output can be maintained.
(4)セパレータ15
アノード及びカソードセパレータ15a、15bとしては、カーボンペーパー、カーボンクロス、緻密カーボングラファイト、炭素板等のカーボン製や、ステンレス等の金属製のものなど、特に制限されるものではなく、従来公知のものを用いることができる。また、前記セパレータ15a、15bは、空気と燃料ガスと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に所望の形状に加工されたガス流路(溝)16a、16bが形成されているのが望ましく、従来公知の技術を適宜利用することができる。セパレータ15a、15bの厚さや大きさ、ガス流路溝16a、16b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。
(4) Separator 15
The anode and cathode separators 15a and 15b are not particularly limited, such as carbon paper, carbon cloth, dense carbon graphite, carbon such as a carbon plate, or metal such as stainless steel, and those conventionally known are used. Can be used. The separators 15a and 15b have a function of separating air and fuel gas, and gas flow paths (grooves) 16a and 16b processed into a desired shape in order to secure the flow paths. It is desirable that it is formed, and conventionally known techniques can be used as appropriate. The thicknesses and sizes of the separators 15a and 15b and the shapes of the gas flow channel grooves 16a and 16b are not particularly limited, and may be appropriately determined in consideration of output characteristics of the obtained fuel cell.
(5)ガスケット17
上記ガスケット17は、気体、特に酸素や水素ガスに対して不透過であればよいが、一般的には、ガス不透過材料からなるOリングなどの単一の不透過部により構成されていればよい。さらに、必要に応じて、電解質膜11や酸素極及び燃料極触媒層12a、12bのエッジとの接着を目的とする接着部を設けてなる、接着剤付きのガスシールテープ等のような複合的な構成としてもよい。Oリングやガスシールテープの不透過部を構成する材料は、設置後に所定の圧力がかかった状態で、酸素や水素ガスに対して不透過性を示すものであれば特に制限されない。
(5) Gasket 17
The gasket 17 may be impermeable to gas, particularly oxygen or hydrogen gas, but generally, if it is configured by a single impermeable portion such as an O-ring made of a gas impermeable material. Good. Further, if necessary, a composite such as a gas seal tape with an adhesive, which is provided with an adhesive portion for adhesion with the electrolyte membrane 11 and the edges of the oxygen electrode and the fuel electrode catalyst layers 12a and 12b. It is good also as a simple structure. There are no particular limitations on the material that forms the impervious portion of the O-ring or gas seal tape as long as it is impervious to oxygen and hydrogen gas in a state where a predetermined pressure is applied after installation.
こうした不透過部を構成する材料のうち、Oリングを構成する材料としては、例えば、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。 Among the materials constituting the impervious portion, examples of the material constituting the O-ring include rubber materials such as fluorine rubber, silicon rubber, ethylene propylene rubber (EPDM), polyisobutylene rubber, and polytetrafluoroethylene (PTFE). , Fluorine polymer materials such as polyvinylidene fluoride (PVDF), polyhexafluoropropylene, tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer (FEP), and thermoplastic resins such as polyolefin and polyester.
一方、ガスシールテープ等の不透過部を構成する材料としては、例えば、ポリエチレンナフタレート(PEN)、ポリエチレンテレフタレート(PET)、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)などが挙げられる。また、ガスシールテープ等の接着部を構成する材料としては、電解質膜11や酸素極及び燃料極触媒層12a、12bと、ガスケット17を密接に接着できるものであれば特に制限されないが、ポリオレフィン、ポリプロピレン、熱可塑性エラストマー等のホットメルト系接着剤、アクリル系接着剤、ポリエステル、ポリオレフィン等のオレフィン系接着剤などが使用できる。 On the other hand, examples of the material constituting the impermeable portion such as a gas seal tape include polyethylene naphthalate (PEN), polyethylene terephthalate (PET), polytetrafluoroethylene (PTFE), and polyvinylidene fluoride (PVdF). . The material constituting the adhesive part such as a gas seal tape is not particularly limited as long as it can closely adhere the electrolyte membrane 11, the oxygen electrode and the fuel electrode catalyst layers 12a and 12b, and the gasket 17, but polyolefin, Hot melt adhesives such as polypropylene and thermoplastic elastomer, acrylic adhesives, olefin adhesives such as polyester and polyolefin can be used.
上記ガスケット17の形成方法は、特に制限されず、公知の方法が使用できる。例えば、電解質膜11上に、あるいは触媒層12のエッジを被覆しながら電解質膜11上に、上記接着剤を、5〜30μmの厚みになるように塗布した後、上記したようなガス不透過材料を10〜200μmの厚みになるように塗布し、これを25〜150℃で、10秒〜10分間加熱することによって硬化させる方法が使用できる。または、予め、ガス不透過材料をシート状に成形した後に、この不透過膜に接着剤を塗布して、ガスケット17を形成した後、これを電解質膜11上に、あるいはガスケット17の一部を被覆しながら電解質膜11上に、貼り合わせてもよい。この際、不透過部の厚みは、特に制限されないが、15〜40μmが好ましい。また、接着部の厚みは、特に制限されないが、10〜25μmが好ましい。 The method for forming the gasket 17 is not particularly limited, and a known method can be used. For example, after the adhesive is applied on the electrolyte membrane 11 or on the electrolyte membrane 11 while covering the edge of the catalyst layer 12 so as to have a thickness of 5 to 30 μm, the gas-impermeable material as described above is used. Can be applied so that the thickness is 10 to 200 μm, and this is cured by heating at 25 to 150 ° C. for 10 seconds to 10 minutes. Alternatively, after a gas-impermeable material is formed into a sheet shape in advance, an adhesive is applied to the impermeable film to form a gasket 17, which is then placed on the electrolyte membrane 11 or a part of the gasket 17. You may affix on the electrolyte membrane 11, covering. At this time, the thickness of the impermeable portion is not particularly limited, but is preferably 15 to 40 μm. The thickness of the adhesive part is not particularly limited, but is preferably 10 to 25 μm.
上記ガスケット17については、市販のものを購入して用いてもよい。ここでいう市販のものには、購入者側の仕様(寸法、形状、材料、特性など)に応じてメーカーが製造したような発注品ないし特注品等も含まれるものとする。 A commercially available gasket 17 may be purchased and used. The commercial items mentioned here include ordered items or custom-made items manufactured by the manufacturer according to the specifications (size, shape, material, characteristics, etc.) on the purchaser side.
本発明のMEA14の構成を有する燃料電池において、触媒層12、GDL13、および電解質膜11の厚さは、燃料ガスの拡散性などを向上させるには薄い方が望ましいが、薄すぎると十分な電極出力が得られない。従って、所望の特性を有するMEA(燃料電池)が得られるように適宜決定すればよい。 In the fuel cell having the configuration of the MEA 14 of the present invention, the catalyst layer 12, the GDL 13, and the electrolyte membrane 11 are desirably thin to improve the diffusibility of the fuel gas. No output is obtained. Therefore, it may be determined as appropriate so as to obtain an MEA (fuel cell) having desired characteristics.
また、本発明のMEA14および燃料電池は、上記の電極触媒層12を内側、GDL13を外側とし、固体高分子電解質膜11を用い、該電解質膜11を両側から電極触媒層12で挟んで、適当にホットプレスすることによりMEA14を作製することができる。 In addition, the MEA 14 and the fuel cell of the present invention have the above-described electrode catalyst layer 12 on the inside, the GDL 13 on the outside, the solid polymer electrolyte membrane 11 is used, and the electrolyte membrane 11 is sandwiched between the electrode catalyst layers 12 from both sides. The MEA 14 can be produced by hot pressing.
かかるホットプレス条件としては、適当な温度、圧力を設定するのが望ましい。具体的には、130〜200℃、好ましくは140〜160℃に加温し、1MPa〜5MPa、好ましくは2MPa〜4MPaで1〜10分間、好ましくは3〜7分間、ホットプレスするのが望ましい。ホットプレス温度が130℃以上であれば(膜の軟化が見られ、接合が容易である。またホットプレス温度が200℃以下であれば、膜の分解が防げる。また、ホットプレス圧が1MPa以上であれば、接合が容易である。またホットプレス圧が5MPa以下であれば、膜の穴あきなどの不具合が防止できる。更にホットプレス時間が1分間以上であれば、接合が容易である。またホットプレス時間が10分間以下であれば、膜の穴あきなどの不具合が防止できる。また、ホットプレスの際の雰囲気は、MEAに影響を及ぼさない雰囲気で行うのが望ましく、窒素中などの雰囲気で行うのが望ましい。 As such hot press conditions, it is desirable to set appropriate temperature and pressure. Specifically, it is desirable to heat to 130 to 200 ° C., preferably 140 to 160 ° C., and hot press at 1 MPa to 5 MPa, preferably 2 MPa to 4 MPa for 1 to 10 minutes, preferably 3 to 7 minutes. If the hot press temperature is 130 ° C. or higher (the film is softened and bonding is easy. If the hot press temperature is 200 ° C. or lower, the film can be prevented from being decomposed. Also, the hot press pressure is 1 MPa or higher. If the hot press pressure is 5 MPa or less, problems such as film perforation can be prevented, and if the hot press time is 1 minute or longer, joining is easy. In addition, if the hot press time is 10 minutes or less, it is possible to prevent defects such as film perforations, etc. The atmosphere during hot pressing is preferably an atmosphere that does not affect the MEA, such as in nitrogen. It is desirable to carry out in an atmosphere.
また、本発明の燃料電池の製造方法としては、特に制限されるものではなく、従来公知の製造技術を用いて組み立てることができる。 In addition, the method for producing the fuel cell of the present invention is not particularly limited, and can be assembled using a conventionally known production technique.
以下、本発明を実施例に基づいて具体的に説明する。 Hereinafter, the present invention will be specifically described based on examples.
実施例1
100gのカーボンブラック(1次粒子の平均粒径46nm)、960gの純水及び40gの非イオン界面活性剤Triton X−100を混合させ、ジェットミルでカーボンブラック粒子の2次粒子(1次粒子が凝集した粒状物)を平均粒径0.5μmまで分散した。このカーボンブラック分散液に40%相当のPTFEディスパージョン(PTFE粒子の平均粒径250nm、PTFE粒子60wt%相当)を添加混合しカーボンブラックPTFE分散液を得た。このカーボンブラックPTFE分散液を泳動電着槽に入れ、電着を行うことで厚さ2mmの電着物(電着固形分)を得た。得られた電着物(電着固形分)を熱風乾燥機により150℃で6時間乾燥した。その後、電着物を電極(陽極)表面から剥離した後、電熱焼結炉により360℃で2時間焼成焼結して、厚さ1.9mmの混合焼結体の膜(シート)を得た(多孔体焼結粗粒子の製造方法(製法2)及び図6参照)。この混合焼結体の膜(シート)の物性は、引っ張り強度35kgf/cm2、破断変形率5%、比抵抗0.25Ωcmであった。
Example 1
100 g of carbon black (average particle size of primary particles 46 nm), 960 g of pure water and 40 g of nonionic surfactant Triton X-100 are mixed, and secondary particles of carbon black particles (primary particles are mixed with a jet mill). The agglomerated granular material) was dispersed to an average particle size of 0.5 μm. A PTFE dispersion equivalent to 40% (average particle diameter of PTFE particles 250 nm, equivalent to 60 wt% PTFE particles) was added to and mixed with this carbon black dispersion to obtain a carbon black PTFE dispersion. This carbon black PTFE dispersion was placed in an electrophoretic electrodeposition tank and electrodeposition was performed to obtain an electrodeposit (thickness of electrodeposition) having a thickness of 2 mm. The obtained electrodeposit (electrodeposited solid content) was dried with a hot air dryer at 150 ° C. for 6 hours. Then, after peeling an electrodeposit from the electrode (anode) surface, it baked and sintered at 360 degreeC for 2 hours with the electrothermal sintering furnace, and obtained the film | membrane (sheet | seat) of the mixed sintered body of thickness 1.9mm ( Production method of porous sintered coarse particles (Production method 2) and FIG. 6). The physical properties of the film (sheet) of this mixed sintered body were a tensile strength of 35 kgf / cm 2 , a fracture deformation rate of 5%, and a specific resistance of 0.25 Ωcm.
この混合焼結体の膜(シート)をミキサーで粉砕し、ふるいで分級して、粒径150μm以下の多孔体焼結粗粒子を得た。この粒径150μm以下(平均粒径120μm)の多孔体焼結粗粒子をホットプレス用の金型(治具)に充填し、360℃、100kg/cm2で60秒間ホットプレスしてGDLを得た。得られたGDLは、厚さ0.22mmで、多孔体焼結粗粒子同士の隙間に0.1mm程度の空孔(大径貫通孔)が無数形成されており、この多孔体焼結粗粒子同士が石垣状に連なって接合した構造を有していることが、GDLのSEM観察により確認された(図3A参照)。このことから、硬い緻密な多孔体焼結粗粒子の充填物をホットプレスをしても、該多孔体焼結粗粒子内の撥水性粒子やカーボン粒子は流動せず、該多孔体焼結粗粒子間の間隙を埋めるように多孔体焼結粗粒子自身の形状が変形したり、押し潰されたり、多孔体焼結粗粒子が小さな粒子サイズに細粒化されてしまうこともなく、多孔体焼結粗粒子間の間隙(比較的大きな空孔)及び多孔体焼結粗粒子の中の間隙(比較的小さな空孔)が存在する(残る)ことが分かった。 The mixed sintered body film (sheet) was pulverized with a mixer and classified by sieving to obtain porous sintered coarse particles having a particle size of 150 μm or less. The porous sintered coarse particles having a particle size of 150 μm or less (average particle size of 120 μm) are filled in a hot press die (jig) and hot pressed at 360 ° C. and 100 kg / cm 2 for 60 seconds to obtain GDL. It was. The obtained GDL has a thickness of 0.22 mm, and innumerable pores (large-diameter through holes) of about 0.1 mm are formed in the gaps between the porous sintered coarse particles. It was confirmed by SDL observation of GDL that they had a structure in which they were joined together in a stone wall shape (see FIG. 3A). From this, even when hot-pressing the packing of hard dense porous sintered coarse particles, the water-repellent particles and carbon particles in the porous sintered coarse particles do not flow, and the porous sintered coarse particles do not flow. The porous body sintered coarse particles themselves are not deformed or crushed so as to fill the gaps between the particles, and the porous sintered coarse particles are not reduced to a small particle size. It was found that gaps (relatively large vacancies) between the sintered coarse particles and gaps (relatively small vacancies) in the porous sintered coarse particles exist (remain).
また、本実施例で得られたGDLのガス透過能は、ロール法で作製したGDLと比べ21.3倍優れていた。また、本実施例のGDLの物性は、引っ張り強度19kgf/cm2、比抵抗0.15Ωcmであった。 Further, the gas permeability of GDL obtained in this example was 21.3 times better than that of GDL produced by the roll method. The physical properties of the GDL of this example were a tensile strength of 19 kgf / cm 2 and a specific resistance of 0.15 Ωcm.
比較例1
実施例1と同様にしてカーボンブラックPTFE分散液を作製した。このカーボンブラックPTFE分散液に同量のイソプロピルアルコールを添加混合してPTFEを凝集させた後、濾過した。濾過物を乾燥ソルベントナフサとともに混練し、ロールでシート化することで厚さ1mmの固形分シートを得た。この固形分シートを乾燥機により150℃で6時間乾燥してソルベントナフサを完全に蒸発させた後、電熱焼結炉により360℃で2時間焼成して、厚さ1mmの混合焼結体の膜(シート)を得た。得られた混合焼結体の膜(シート)の物性は、引っ張り強度6kg/cm2、破断変形率110%、比抵抗5.6Ωcmであった。
Comparative Example 1
A carbon black PTFE dispersion was prepared in the same manner as in Example 1. The same amount of isopropyl alcohol was added to and mixed with this carbon black PTFE dispersion to aggregate PTFE, followed by filtration. The filtrated material was kneaded with dry solvent naphtha and formed into a sheet with a roll to obtain a solid content sheet having a thickness of 1 mm. The solid content sheet was dried at 150 ° C. for 6 hours by a dryer to completely evaporate the solvent naphtha, and then fired at 360 ° C. for 2 hours in an electrothermal sintering furnace to form a mixed sintered body film having a thickness of 1 mm. (Sheet) was obtained. The physical properties of the film (sheet) of the obtained mixed sintered body were a tensile strength of 6 kg / cm 2 , a fracture deformation rate of 110%, and a specific resistance of 5.6 Ωcm.
この混合焼結体の膜(シート)をミキサーで粉砕し、ふるいで分級して、粒径150μm以下の多孔体焼結粗粒子を得た。この粒径150μm以下(平均粒径125μm)の多孔体焼結粗粒子をホットプレス用の金型(治具)に充填し、360℃、100kg/cm2で60秒間ホットプレスしてGDLを得た。得られたGDLは、厚さ0.2mmで、多孔体焼結粗粒子の中に平均孔径0.1μmの空孔のみが無数形成されており、この多孔体焼結粗粒子同士は隙間無く密着(再融合)して接合した一体構造を有していることが、GDLの細孔測定により観察された(図示せず)。このことから、瀘過前に凝集したPTFE層は、ホットプレスをすると流動しやすいので、多孔体焼結粗粒子同士の隙間を塞いでしまい、多孔体焼結粗粒子同士の隙間に大きな空孔は存在しない(残らない)ことが分かった。 The mixed sintered body film (sheet) was pulverized with a mixer and classified by sieving to obtain porous sintered coarse particles having a particle size of 150 μm or less. The porous sintered coarse particles having a particle size of 150 μm or less (average particle size of 125 μm) are filled in a hot press die (jig) and hot pressed at 360 ° C. and 100 kg / cm 2 for 60 seconds to obtain GDL. It was. The obtained GDL has a thickness of 0.2 mm, and innumerable pores having an average pore diameter of 0.1 μm are formed in the porous sintered coarse particles, and the porous sintered coarse particles are in close contact with each other without gaps. It was observed by GDL pore measurement (not shown) that it had an integral structure joined by (refusion). Therefore, the PTFE layer aggregated before filtration easily flows when hot-pressed, so that the gap between the porous sintered coarse particles is blocked, and a large void is formed in the gap between the porous sintered coarse particles. It was found that does not exist (does not remain).
比較的大きな空孔の数は粗粒子数の1から2倍となるので小粒径ほど多数となる。 Since the number of relatively large pores is 1 to 2 times the number of coarse particles, the smaller the particle size, the larger the number.
また、本比較例で得られたGDLのガス透過能は、ロール法で作製したガス拡散層と比べほぼ同じであった。また、本比較例のGDLの物性は、引っ張り強度36kgf/cm2、比抵抗0.28Ωcmであった。 Moreover, the gas permeability of GDL obtained in this comparative example was almost the same as that of the gas diffusion layer produced by the roll method. The physical properties of the GDL of this comparative example were a tensile strength of 36 kgf / cm 2 and a specific resistance of 0.28 Ωcm.
実施例2
上記した多孔体焼結粗粒子の製造方法(製法1)により、相分離濃縮した固形分53を乾燥焼成して得られた厚さ500μmの混合焼結体55の緻密な膜(表1では乾燥焼成シートと記す)56(図5参照)を作製した。
Example 2
A dense film of a mixed sintered body 55 having a thickness of 500 μm obtained by drying and firing the solid content 53 phase-separated and concentrated by the above-described method for producing coarse sintered porous particles (Production Method 1) 56 (referred to as a fired sheet) was produced (see FIG. 5).
具体的には、上記製法2と同様にして得られたカーボンブラック−PTFE分散液を、比較例1のように瀘過前に凝集させることなく、4%Triton X−100(非イオン性界面活性剤)を含む分散液(固形分13%)をガラス瓶に入れて70.0℃のウオーターバスの中に24時間放置したところ下部に沈殿した。上部の液を取り除き固形分44.6%の濃縮液を得た。固形分の収率は99%であった。この濃縮液を80℃で水分を蒸発させ、150℃で6時間乾燥した後、360℃で3時間焼結して混合焼結体の膜(乾燥焼結シート)を得た。 Specifically, the carbon black-PTFE dispersion obtained in the same manner as in the above production method 2 was not agglomerated before filtration as in Comparative Example 1, and 4% Triton X-100 (nonionic surfactant) The dispersion (containing 13% solids) was placed in a glass bottle and left in a water bath at 70.0 ° C. for 24 hours, whereupon it precipitated at the bottom. The upper liquid was removed to obtain a concentrated liquid having a solid content of 44.6%. The yield of solid content was 99%. The concentrated liquid was evaporated at 80 ° C., dried at 150 ° C. for 6 hours, and then sintered at 360 ° C. for 3 hours to obtain a mixed sintered body film (dry sintered sheet).
得られた混合焼結体の膜(乾燥焼結シート)の物性は、引っ張り強度23kgf/cm2、切断変形率4%、比抵抗0.26Ωcm、耐水圧評価試験による耐水圧強度は18kgf/cm2であった。 The physical properties of the film (dry sintered sheet) of the obtained mixed sintered body are as follows: tensile strength 23 kgf / cm 2 , cutting deformation rate 4%, specific resistance 0.26 Ωcm, water pressure strength by water pressure evaluation test is 18 kgf / cm 2 .
耐水圧評価試験は、図8に示すように、耐水圧試験装置83内の耐圧多孔体85上に、サンプルシート(乾燥焼成シート)81をセットし、該シート81の上面側全体に水圧を徐々に加え、サンプルシート81から漏れ出すときの水圧(耐水圧強度)を測定した。結果を表1に示した。 In the water pressure resistance evaluation test, as shown in FIG. 8, a sample sheet (dry fired sheet) 81 is set on the pressure-resistant porous body 85 in the water pressure resistance test apparatus 83, and the water pressure is gradually applied to the entire upper surface side of the sheet 81. In addition, the water pressure (water pressure strength) when leaking from the sample sheet 81 was measured. The results are shown in Table 1.
実施例3
上記した多孔体焼結粗粒子の製造方法(製法2)により、電着して析出した固形分65を乾燥焼成して厚さ500μmの混合焼結体の緻密な膜(表1では電着シートと記す)66(図6参照)のサンプルを作製した。
Example 3
By the above-described method for producing porous sintered coarse particles (Production Method 2), the solid content 65 deposited by electrodeposition is dried and fired to form a dense film of a mixed sintered body having a thickness of 500 μm (in Table 1, an electrodeposition sheet). A sample of 66 (see FIG. 6) was produced.
具体的には、100gのカーボンブラック、非イオン界面活性剤としてTritonX−100、40g、純水900gを混合させ、ジェットミルで平均粒径0.5μmまで分散した。このカーボンブラック分散液に40%相当のPTFEディスパージョンを添加混合しカーボンブラック−PTFE分散液を得た。このカーボンブラック−PTFE分散液を泳動電着槽に入れ厚さ2mmの電着物を得た。150℃で4時間乾燥した後、360℃(なお、撥水剤粒子であるPTFEの融点は327℃である)で2時間焼結して、厚さ1.6mmの電着シートを作製した。 Specifically, 100 g of carbon black, 40 g of Triton X-100 as a nonionic surfactant, and 900 g of pure water were mixed, and dispersed to an average particle size of 0.5 μm by a jet mill. A 40% equivalent PTFE dispersion was added to and mixed with this carbon black dispersion to obtain a carbon black-PTFE dispersion. This carbon black-PTFE dispersion was placed in an electrophoresis electrodeposition tank to obtain an electrodeposit having a thickness of 2 mm. After drying at 150 ° C. for 4 hours, sintering was performed at 360 ° C. (where PTFE as the water repellent particle has a melting point of 327 ° C.) for 2 hours to prepare an electrodeposition sheet having a thickness of 1.6 mm.
得られた電着シートの物性は、引っ張り強度36kgf/cm2、切断変形率5%、比抵抗0.25Ωcm、耐水圧評価試験による耐水圧強度は16kgf/cm2であった。なお、耐水圧評価試験は、実施例2と同様にして行い、結果を表1に示した。 The resulting electrodeposition properties of deposited sheets, tensile strength 36 Kgf / cm 2, the cutting deformation of 5%, the specific resistance 0.25Omucm, bulb pressure strength by water pressure resistance evaluation test was 16 kgf / cm 2. The water pressure resistance evaluation test was performed in the same manner as in Example 2, and the results are shown in Table 1.
実施例4
上記したGDLの製造方法(製法4)により、実施例2と同様にして得られた乾燥焼成シートをミキサーで粉砕し、ふるいで分級して得られた多孔体焼結粗粒子を用いて、ホットプレスしてGDL(表1では再成膜シートと記す)のサンプルを作製した。
Example 4
By using the porous sintered coarse particles obtained by pulverizing the dried and fired sheet obtained in the same manner as in Example 2 with a mixer and classifying with a sieve by the GDL production method (Production Method 4) described above, A sample of GDL (referred to as a re-deposition sheet in Table 1) was produced by pressing.
具体的には、実施例2と同様にして得られた乾燥焼成シートをミキサーで粉砕し、ふるいで分級して粒径150μm以下の多孔体焼結粗粒子を得た。この粒径150μm以下(平均粒径120μm)の多孔体焼結粗粒子をホットプレス用の金型(治具)に充填し、360℃、100kg/cm2で60秒間ホットプレスして、厚さ500μmのGDL(再成膜シート)を作製した。得られた再成膜シートには、平均細孔径0.1μm(0.2μm以下の小径の貫通孔)と5μm以上(1μm以上の大径の貫通孔)の貫通孔が無数にあった。また、再成膜シートは、ホットプレスをしても大きな径の空孔(大径貫通孔)が残っていた(図3参照のこと)。また再成膜シートのガス透過能は大きな径の空孔(大径貫通孔)があるのでロール法で作製したGDLと比べ20倍を有していた。 Specifically, the dried and fired sheet obtained in the same manner as in Example 2 was pulverized with a mixer and classified with a sieve to obtain porous sintered coarse particles having a particle diameter of 150 μm or less. The porous sintered coarse particles having a particle size of 150 μm or less (average particle size of 120 μm) are filled in a hot press die (jig) and hot pressed at 360 ° C. and 100 kg / cm 2 for 60 seconds to obtain a thickness. A 500 μm GDL (re-deposition sheet) was prepared. The obtained re-deposition sheet had innumerable through-holes having an average pore diameter of 0.1 μm (small-diameter through holes of 0.2 μm or less) and 5 μm or more (large-diameter through-holes of 1 μm or more). In addition, the re-deposition sheet remained large-diameter holes (large-diameter through holes) even after hot pressing (see FIG. 3). Further, the gas permeability of the re-deposition sheet was 20 times that of the GDL produced by the roll method because of the large diameter holes (large diameter through holes).
得られた再成膜シートの物性は、引っ張り強度20kgf/cm2、比抵抗0.26Ωcm、耐水圧評価試験による耐水圧強度は1kgf/cm2以下であった(引っ張り強度と大きく異なる値を示すことがわかった)。なお、耐水圧評価試験は、実施例2と同様にして行い、結果を表1に示した。 The physical properties of the re-formed film obtained were as follows: tensile strength 20 kgf / cm 2 , specific resistance 0.26 Ωcm, and water pressure resistance according to the water pressure evaluation test was 1 kgf / cm 2 or less (a value significantly different from the tensile strength) I understood it). The water pressure resistance evaluation test was performed in the same manner as in Example 2, and the results are shown in Table 1.
実施例5
上記した多孔体焼結粗粒子の製造方法(製法1)により、相分離濃縮した固形分を乾燥焼成して混合焼結体の膜(図5参照)を作製した。
Example 5
The solid content obtained by phase separation and concentration was dried and fired by the above-described method for producing coarse sintered porous particles (Production Method 1) to prepare a mixed sintered compact film (see FIG. 5).
具体的には、上記製法2と同様にして得られたカーボンブラック−PTFE分散液を、比較例1のように瀘過前に凝集させることなく、4%Triton X−100(非イオン性界面活性剤)を含む分散液(固形分13%)をガラス瓶に入れて70.0℃のウオーターバスの中に24時間放置したところ下部に沈殿した。上部の液を取り除き固形分42%の濃縮液を得た。この42%濃縮液を80℃で水分を蒸発させ150℃で乾燥し、360℃で1時間焼結して混合焼結体の緻密な膜(構造体シート)を得た。 Specifically, the carbon black-PTFE dispersion obtained in the same manner as in the above production method 2 was not agglomerated before filtration as in Comparative Example 1, and 4% Triton X-100 (nonionic surfactant) The dispersion (containing 13% solids) was placed in a glass bottle and left in a water bath at 70.0 ° C. for 24 hours, whereupon it precipitated at the bottom. The upper liquid was removed to obtain a concentrated liquid having a solid content of 42%. The 42% concentrated liquid was evaporated at 80 ° C., dried at 150 ° C., and sintered at 360 ° C. for 1 hour to obtain a dense film (structure sheet) of a mixed sintered body.
得られた混合焼結体の膜(構造体シート)をミキサーで粉砕し、ふるいで分級して、粒径150μm以下の多孔体焼結粗粒子を得た。図9Aに、本実施例5で得られたこの多孔体焼結粗粒子断面のSEM画像を表した図面を示す。 The obtained mixed sintered body film (structure sheet) was pulverized with a mixer and classified with a sieve to obtain porous sintered coarse particles having a particle diameter of 150 μm or less. FIG. 9A shows a drawing showing an SEM image of the cross section of the porous sintered coarse particles obtained in Example 5. FIG.
さらに、混合焼結体の膜(構造体シート)の細孔径データを図10に示す。ここで、混合焼結体の膜(シート)の細孔径データの測定では、接触角は平滑なPTFE表面の値である114゜を使用した。ほぼ水銀ポロシメーターの結果と一致した。試料表面の接触角は140゜以上が観測されるが凹凸の効果である。 Furthermore, the pore diameter data of the film (structure sheet) of the mixed sintered body are shown in FIG. Here, in the measurement of the pore diameter data of the film (sheet) of the mixed sintered body, a contact angle of 114 °, which is a value on a smooth PTFE surface, was used. The result almost coincided with the result of mercury porosimeter. The contact angle of the sample surface is observed to be 140 ° or more, but this is an uneven effect.
比較例2
比較例1と同様にして混合焼結体の膜(シート)を作製し、この混合焼結体の膜(シート)をミキサーで粉砕し、ふるいで分級して、粒径150μm以下の多孔体焼結粗粒子を得た。図9Bに、本比較例2で得られた多孔体焼結粗粒子断面のSEM画像を表した図面を示す。
Comparative Example 2
A mixed sintered body film (sheet) was prepared in the same manner as in Comparative Example 1, and this mixed sintered body film (sheet) was pulverized with a mixer and classified by sieving. Coarse coarse particles were obtained. FIG. 9B shows a drawing showing an SEM image of the cross section of the porous sintered coarse particles obtained in Comparative Example 2.
実施例5の図9A及び比較例2の図9BのSEM画像から、本発明の多孔体焼結粗粒子では、PTFE(撥水剤粒子)のフィブリル化がほとんど見られないことが確認された。一方、従来の食塩電解の酸素陰極に用いられているようなGDLと同様にして作製した比較例1の多孔体焼結粗粒子では、PTFE(撥水剤粒子)のフィブリル化が見られることが確認できた。 From the SEM images of FIG. 9A of Example 5 and FIG. 9B of Comparative Example 2, it was confirmed that the porous sintered coarse particles of the present invention hardly show fibrillation of PTFE (water repellent particles). On the other hand, the porous sintered coarse particles of Comparative Example 1 produced in the same manner as the GDL used in the conventional salt electrolysis oxygen cathode may show fibrillation of PTFE (water repellent particles). It could be confirmed.
また、実施例5の図10の水ポロシメータによる細孔分布の測定結果から、本発明の多孔体焼結粗粒子内部には、0.2μm(200nm)以下、特に平均孔径70nm程度の比較的小径の空孔が潰れることなく多数形成されていることが確認できた。 Further, from the measurement result of the pore distribution by the water porosimeter of FIG. 10 in Example 5, the porous sintered coarse particles of the present invention have a relatively small diameter of 0.2 μm (200 nm) or less, particularly an average pore diameter of about 70 nm. It was confirmed that many holes were formed without being crushed.
10 燃料電池セル、
11 電解質膜、
12 燃料電池電極触媒層、
12a アノード触媒層、
12b カソード触媒層、
13 ガス拡散層、
13a アノードガス拡散層、
13b カソードガス拡散層、
131a アノードガス拡散層のMIL、
131b カソードガス拡散層のMIL、
132a アノードガス拡散層の基材、
132b カソードガス拡散層の基材、
14 MEA、
15a アノードパレータ、
15b カソードパレータ、
16a アノード側ガス流路(溝)、
16b カソード側ガス流路(溝)、
17 ガスケット、
21 多孔体焼結粗粒子、
211 カーボン粒子、
212 撥水剤粒子、
213 多孔体焼結粗粒子の中の小径の貫通孔、
22 多孔体焼結粗粒子間の大径の貫通孔、
51、61 カーボン粒子分散液、
52、62 カーボン・撥水剤粒子分散液、
53 相分離濃縮による固形分、
54 基材、
55 混合焼結体、
56、66、71 混合焼結体の緻密な膜(シート)、
63 泳動電着用陰極、
64 泳動電着用陽極、
65 電着固形分(電着物)、
72 多孔体焼結粗粒子、
73 多孔体焼結粗粒子分散液(再インク)、
74 基材、
75 GDL、
76 GDLの膜(シート)、
81 サンプルシート(乾燥焼成シート、電着シート、再成膜シート)
83 耐水圧試験装置、
85 耐圧多孔体。
10 Fuel cell,
11 electrolyte membrane,
12 Fuel cell electrode catalyst layer,
12a anode catalyst layer,
12b cathode catalyst layer,
13 Gas diffusion layer,
13a Anode gas diffusion layer,
13b cathode gas diffusion layer,
131a MIL of anode gas diffusion layer,
131b MIL of cathode gas diffusion layer,
132a A base material for the anode gas diffusion layer,
132b Cathode gas diffusion layer substrate;
14 MEA,
15a anode palator,
15b cathode palator,
16a Anode side gas flow path (groove),
16b Cathode side gas flow path (groove),
17 gasket,
21 porous sintered coarse particles,
211 carbon particles,
212 water repellent particles,
213 small-diameter through-holes in porous sintered coarse particles,
22 large-diameter through-holes between porous sintered coarse particles,
51, 61 carbon particle dispersion,
52, 62 carbon / water repellent particle dispersion,
53 Solid content by phase separation concentration,
54 base material,
55 Mixed sintered body,
56, 66, 71 Dense film (sheet) of mixed sintered body,
63 Electrophoretic electrodeposition cathode
64 Electrophoresis wearing anode,
65 Electrodeposited solids (electrodeposits),
72 porous sintered coarse particles,
73 Porous sintered coarse particle dispersion (reink),
74 base material,
75 GDL,
76 GDL film (sheet),
81 Sample sheet (dry fired sheet, electrodeposition sheet, re-deposition sheet)
83 Water pressure test equipment,
85 Pressure-resistant porous material.
Claims (18)
前記多孔体焼結粗粒子が、カーボン粒子と撥水剤粒子とを用いて形成されており、
前記カーボン粒子および/または撥水剤粒子同士の隙間に多数形成される空孔の平均孔径が、前記多孔体焼結粗粒子同士の隙間に多数形成される空孔の平均孔径より小さいことを特徴とする燃料電池用ガス拡散層。 A gas diffusion layer for a fuel cell configured using porous sintered coarse particles,
The porous sintered coarse particles are formed using carbon particles and water repellent particles,
The average pore diameter of a large number of pores formed in the gaps between the carbon particles and / or the water repellent particles is smaller than the average pore diameter of the pores formed in the gaps between the porous sintered coarse particles. A gas diffusion layer for a fuel cell.
前記カーボン・撥水剤粒子分散液を非イオン性界面活性剤の相分離現象を用い濃縮し、
さらに前記相分離濃縮したものを乾燥、加熱焼結して混合焼結体を形成し、
前記混合焼結体を微粉化して得られたものであることを特徴とする請求項1〜9のいずれか1項に記載の燃料電池用ガス拡散層。 The porous sintered coarse particles are prepared by dispersing carbon particles and water repellent particles in water in the presence of a nonionic surfactant to prepare a carbon / water repellent particle dispersion,
Concentrating the carbon / water repellent particle dispersion using a phase separation phenomenon of a nonionic surfactant,
Furthermore, the phase-separated and concentrated product is dried, heated and sintered to form a mixed sintered body,
The gas diffusion layer for a fuel cell according to any one of claims 1 to 9, wherein the gas diffusion layer is obtained by pulverizing the mixed sintered body.
前記カーボン・撥水剤粒子分散液を電着して固形分を析出し、
前記固形分を焼結して混合焼結体を形成し、
前記混合焼結体を微粉化して得られたものであることを特徴とする請求項1〜9のいずれか1項に記載の燃料電池用ガス拡散層。 The porous sintered coarse particles are prepared by dispersing carbon particles and water repellent particles in water in the presence of a nonionic surfactant to prepare a carbon / water repellent particle dispersion,
Electrodeposit the carbon / water repellent particle dispersion to deposit a solid,
Sintering the solid content to form a mixed sintered body,
The gas diffusion layer for a fuel cell according to any one of claims 1 to 9, wherein the gas diffusion layer is obtained by pulverizing the mixed sintered body.
前記多孔体焼結粗粒子分散液を基材に塗布し、乾燥後ホットプレスして成膜し、前記基材と分離して得られたことを特徴とする請求項1〜11のいずれか1項に記載の燃料電池用ガス拡散層。 The porous sintered coarse particles according to claim 10 or 11 are dispersed in a solvent to form a porous sintered coarse particle dispersion.
The porous body sintered coarse particle dispersion is applied to a base material, dried, hot-pressed to form a film, and obtained by separating from the base material. A gas diffusion layer for a fuel cell according to Item.
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