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JP4520815B2 - Gas diffusion layer for fuel cell, gas diffusion electrode for fuel cell, and fuel cell - Google Patents

Gas diffusion layer for fuel cell, gas diffusion electrode for fuel cell, and fuel cell Download PDF

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JP4520815B2 JP2004304083A JP2004304083A JP4520815B2 JP 4520815 B2 JP4520815 B2 JP 4520815B2 JP 2004304083 A JP2004304083 A JP 2004304083A JP 2004304083 A JP2004304083 A JP 2004304083A JP 4520815 B2 JP4520815 B2 JP 4520815B2
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Description

本発明は、燃料電池に関するものであり、特に触媒層中で水が凝集し易い条件下で作動する燃料電池、例えば、固体高分子形燃料電池等に関するものである。   The present invention relates to a fuel cell, and more particularly to a fuel cell that operates under conditions where water easily aggregates in a catalyst layer, such as a polymer electrolyte fuel cell.

本発明が関わる燃料電池の基本構造は、一般的な固体高分子形燃料電池の構造を例に取ると、プロトン伝導性電解質膜を挟んでアノードとカソードとなる触媒層が配置され、これを挟んで、さらに外側にガス拡散層が配置され、さらに、その外側にセパレーターが配置され、単位セルを構成する。通常、これを必要な出力に合わせてスタックし、燃料電池として用いる。   The basic structure of the fuel cell according to the present invention is, for example, a structure of a general polymer electrolyte fuel cell, and a catalyst layer serving as an anode and a cathode is disposed with a proton conductive electrolyte membrane interposed therebetween. Thus, a gas diffusion layer is further arranged on the outer side, and a separator is further arranged on the outer side to constitute a unit cell. Normally, these are stacked according to the required output and used as a fuel cell.

このような基本構造の燃料電池から電流を取り出すためには、両極に配されたセパレーターのガス流路から、カソード側に酸素あるいは空気等の酸化性ガスを、アノード側には水素等の還元性ガスを、ガス拡散層を介して触媒層までそれぞれ供給する。   In order to extract the current from the fuel cell having such a basic structure, an oxidizing gas such as oxygen or air is supplied to the cathode side from the gas flow path of the separator disposed at both electrodes, and a reducing property such as hydrogen is supplied to the anode side. Gas is supplied to the catalyst layer through the gas diffusion layer.

例えば、水素ガスと酸素ガスを利用する場合、アノードの触媒上で起こる H2→2H++2e-(E0=0V)の化学反応と、カソードの触媒上で起こる O2+4H++4e-→2H2O(E0=1.23V)の化学反応のエネルギー差を利用して、電流を取り出すこととなる。 For example, when hydrogen gas and oxygen gas are used, a chemical reaction of H 2 → 2H + + 2e (E 0 = 0V) occurring on the anode catalyst and O 2 + 4H + + 4e → 2H occurring on the cathode catalyst. The current is taken out by utilizing the energy difference of the chemical reaction of 2 O (E 0 = 1.23 V).

したがって、セパレーターのガス流路から触媒層内部の触媒まで酸素ガスあるいは水素ガスが移動できるガス拡散経路や、アノード触媒上で発生したプロトンをプロトン伝導性電解質膜を通じてカソードの触媒まで伝達できるプロトン伝導経路、さらには、アノード触媒上で発生した電子がガス拡散層、セパレーター、外部回路を通じてカソード触媒まで伝達できる電子伝達経路が、それぞれ分断されることなく連なっていないと、効率良く電流を取り出すことができない。   Therefore, a gas diffusion path through which oxygen gas or hydrogen gas can move from the gas flow path of the separator to the catalyst inside the catalyst layer, and a proton conduction path through which protons generated on the anode catalyst can be transmitted to the cathode catalyst through the proton conductive electrolyte membrane. Furthermore, if the electron transfer paths through which the electrons generated on the anode catalyst can be transmitted to the cathode catalyst through the gas diffusion layer, the separator, and the external circuit are not disconnected, the current cannot be efficiently extracted. .

触媒層内部では、一般に、ガス拡散経路として材料の間隙に形成される気孔、プロトン伝導経路として電解質材料、及び、電子伝導経路として炭素材料や金属材料等の導電性材料が、それぞれのネットワークを形成している。   Inside the catalyst layer, generally, pores formed in the material gaps as gas diffusion paths, electrolyte materials as proton conduction paths, and conductive materials such as carbon materials and metal materials as electron conduction paths form their respective networks. is doing.

特に、プロトン伝導経路には、高分子電解質材料としてパーフルオロスルホン酸ポリマーに代表されるイオン交換樹脂が用いられている。これら一般に用いられるイオン交換樹脂は、湿潤環境下で初めて高いプロトン伝導性を発現し、乾燥環境下ではプロトン導電性が低下してしまう。これは、プロトンの移動に水分子の介在や随伴が必須であるためと考えられている。   In particular, an ion exchange resin typified by a perfluorosulfonic acid polymer is used as a polymer electrolyte material in the proton conduction path. These generally used ion exchange resins exhibit high proton conductivity for the first time in a wet environment, and the proton conductivity decreases in a dry environment. This is thought to be due to the interposition and accompanying of water molecules for proton transfer.

したがって、効率良く燃料電池を作動させるためには、常に電解質材料が湿潤状態であることが必須であり、両極に供給するガスと共に、常に水蒸気を供給する必要がある。   Therefore, in order to operate the fuel cell efficiently, it is essential that the electrolyte material is always in a wet state, and it is necessary to always supply water vapor together with the gas supplied to both electrodes.

一般には、電解質材料へ水を供給する目的で、セルに供給するガスを加湿し、露点近傍の温度でセルを作動する方法が採用されている。この方法によると、セル内に供給された水蒸気は一部凝集し、凝集水の液滴を形成する。一方、上述したカソード反応により、電流を取り出すとカソード触媒上では、水が生成する。セルの運転条件にもよるが、生成した水は、触媒層内の水蒸気が過飽和になった時点で凝集し、凝集水の液滴となる。   In general, for the purpose of supplying water to the electrolyte material, a method of humidifying the gas supplied to the cell and operating the cell at a temperature near the dew point is employed. According to this method, the water vapor supplied into the cell partially aggregates to form droplets of aggregated water. On the other hand, when current is taken out by the cathode reaction described above, water is generated on the cathode catalyst. Although depending on the operating conditions of the cell, the generated water aggregates when the water vapor in the catalyst layer becomes supersaturated, and forms aggregated water droplets.

これら加湿するために供給された水蒸気がガス拡散層内や触媒層内で凝集したり、反応によって生成した水が凝集してできた液滴は、ガス拡散経路を遮断する。この現象は、フラッディングと呼ばれ、大電流放電時に水が大量に生成するカソードで顕著であり、ガスの供給不足を招き、極度の電圧低下を引き起こす。   The droplets formed by the water vapor supplied to humidify agglomerate in the gas diffusion layer or the catalyst layer or the water produced by the reaction agglomerate block the gas diffusion path. This phenomenon is called flooding, and is remarkable in the cathode in which a large amount of water is generated during a large current discharge, leading to insufficient supply of gas and causing an extreme voltage drop.

したがって、安定して燃料電池を作動させるためには、触媒層内を十分に加湿しつつ、凝集水は速やかに系外に排出するという相反する要求を満たす必要がある。   Therefore, in order to stably operate the fuel cell, it is necessary to satisfy the conflicting requirement that the condensed water is quickly discharged out of the system while sufficiently humidifying the inside of the catalyst layer.

このために、本発明者らは、これまでに、特許文献1により燃料電池の触媒層中の物質移動経路を分断することなく、好適な湿潤環境を保ち、極めて効率的な電池性能を発現できる触媒層を提案してきた。   For this reason, the present inventors have been able to maintain a suitable moist environment and express extremely efficient battery performance without dividing the mass transfer path in the catalyst layer of the fuel cell according to Patent Document 1 so far. A catalyst layer has been proposed.

一方、両極の触媒層の外側に配置するガス拡散層には、セパレーターに形成されたガス流路から触媒層までガスを均一に拡散させる機能と、触媒層とセパレーター間に電子を伝導する機能が求められ、効率的に燃料電池を作動させるために、様々な技術が従来から提案されている。   On the other hand, the gas diffusion layer disposed outside the catalyst layer of both electrodes has a function of uniformly diffusing gas from the gas flow path formed in the separator to the catalyst layer and a function of conducting electrons between the catalyst layer and the separator. Various techniques have been conventionally proposed in order to efficiently operate a fuel cell.

その中でも、ガス拡散層を2層構造に分ける技術は、一定の性能を発現することに成功している。通常、セパレーター側にはガスの拡散性を重視した比較的大きな孔径を持った1層目を有しており、触媒層側の2層目は、構造の荒い1層目とミクロ構造をもった触媒層との電子伝導性や均一性を確保するための中間層として機能させる技術となっている。   Among them, the technique of dividing the gas diffusion layer into a two-layer structure has succeeded in expressing a certain performance. Usually, the separator side has a first layer having a relatively large pore size with an emphasis on gas diffusivity, and the second layer on the catalyst layer side has a rough first layer and a microstructure. This is a technique for functioning as an intermediate layer for ensuring electronic conductivity and uniformity with the catalyst layer.

例えば、特許文献2では、炭素粒子又は繊維とフッ素樹脂を主成分とする撥水性ガス拡散層が提案されており、好ましい形態として、気孔率や気孔径が異なる2層構造が提案されている。また、特許文献3では、ガス拡散層の構造としてカーボン繊維織布の表面にフッ素樹脂とカーボンブラックが主成分の層が形成されている2層構造が提案されている。   For example, Patent Document 2 proposes a water-repellent gas diffusion layer mainly composed of carbon particles or fibers and a fluororesin, and a preferred embodiment proposes a two-layer structure having different porosity and pore diameter. Further, Patent Document 3 proposes a two-layer structure in which a layer mainly composed of fluororesin and carbon black is formed on the surface of a carbon fiber woven fabric as a structure of the gas diffusion layer.

さらに、特許文献4では、電極基材と触媒層の間に少なくとも2つの気孔径分布中心を持つ中間層が提案されており、好ましい実施形態として、異なる粒子径分布を持つ2種類以上の炭素粒子を主成分とすることが提案されている。   Further, Patent Document 4 proposes an intermediate layer having at least two pore size distribution centers between the electrode substrate and the catalyst layer, and as a preferred embodiment, two or more types of carbon particles having different particle size distributions are proposed. It has been proposed to have as the main component.

特開2003−109643号公報JP 2003-109643 A 米国特許第5620807号明細書US Pat. No. 5,620,807 特開平10−261421号公報JP-A-10-261421 特開平2001−57215号公報JP-A-2001-57215

特許文献2では、気孔率や気孔径の好ましい範囲が規定されているものの、用いる炭素粒子又は繊維に係る規定が無く、特に触媒層に接する微細孔層の細孔径制御方法が、主成分の一つである高分子材料の量や分子量に依存しており、細孔径制御が難しく、一般的ではない。   In Patent Document 2, although a preferable range of the porosity and the pore diameter is defined, there is no definition relating to the carbon particles or fibers to be used, and a method for controlling the pore diameter of the microporous layer in contact with the catalyst layer is one of the main components. Depending on the amount and molecular weight of the polymer material, it is difficult to control the pore size, which is not common.

また、特許文献3では、2層構造のガス拡散層の積層構造に関して提案されているが、特許文献2と同様に、好ましいカーボンブラックの種類あるいは構造に関する規定が無く、触媒層の性能を全て引き出すには、提案されている内容だけでは難しい。特に、これら特許文献2あるいは特許文献3は、両者とも水によるガス拡散経路を確保する手段が、撥水性の高分子材料に依存しており、ガスの拡散性を高めるためには絶縁性の高分子材料の含有率を高める必要があり、導電性を損ない易い。   Patent Document 3 proposes a laminated structure of a gas diffusion layer having a two-layer structure. However, as in Patent Document 2, there is no provision regarding a preferable type or structure of carbon black, and all the performance of the catalyst layer is extracted. However, it is difficult only with the proposed content. In particular, these Patent Documents 2 and 3 both rely on a water-repellent polymer material as a means for securing a gas diffusion path with water, and in order to improve gas diffusivity, high insulation properties are required. It is necessary to increase the content of the molecular material, which tends to impair the conductivity.

さらに、特許文献4では、触媒層に接するガス拡散層の主成分として大径炭素粒子と小径炭素粒子を混合して使用することが提案されており、用いる炭素材料そのものの構造に言及しているが、粒子径の組み合わせによっては、却ってガス拡散経路を遮断してしまうケースがあることと、大径炭素粒子と小径炭素粒子の異種粒子間隙に形成される孔をガス拡散経路として使用する場合、セルの締結圧力によって粒子が動いて孔が閉塞する場合や、長時間の使用によって粒子の配置が変わり、孔径が最適な状態から変化する場合があり、十分な提案とは言えなかった。   Furthermore, Patent Document 4 proposes to use a mixture of large-diameter carbon particles and small-diameter carbon particles as the main component of the gas diffusion layer in contact with the catalyst layer, and refers to the structure of the carbon material itself used. However, depending on the combination of particle diameters, there are cases where the gas diffusion path is interrupted, and when holes formed in different particle gaps between large and small diameter carbon particles are used as the gas diffusion path, In some cases, the particles move due to the fastening pressure of the cell and the pores are blocked, or the arrangement of the particles changes due to long-term use, and the pore diameter may change from the optimum state, which is not a sufficient proposal.

したがって、従来提案されている内容だけでは、特に、特許文献1で提案されているような高い性能を持った触媒層が接続されている場合、ある程度の性能は発現するものの、触媒層が持つ最大の性能を引き出すためには困難を伴った。   Therefore, with the content that has been proposed in the past, particularly when a catalyst layer having high performance as proposed in Patent Document 1 is connected, a certain level of performance appears, but the maximum that the catalyst layer has. It was difficult to bring out the performance.

そこで、本発明は、上記課題を解決し、触媒層内を十分に加湿しつつ、凝集水は速やかに系外に排出し、大電流放電時でもフラッディングを起こさず、安定した電池性能を発現する燃料電池用ガス拡散層、ガス拡散電極、及び、これを用いた燃料電池を提案することを目的とする。   Therefore, the present invention solves the above-mentioned problems, and while sufficiently humidifying the inside of the catalyst layer, the condensed water is quickly discharged out of the system, and does not cause flooding even during a large current discharge, and exhibits stable battery performance. An object of the present invention is to propose a gas diffusion layer for a fuel cell, a gas diffusion electrode, and a fuel cell using the same.

以上の課題を解決するため、ガス拡散層に関して検討を重ねた結果、特許文献1で提案されているような高性能触媒層の性能を十分に引き出すためには、触媒層に隣接するマイクロポア層に水に対する表面特性が適当なカーボンブラックを主成分に用いること、及び、ガスの移動経路あるいは水の移動経路を確保するために、材料そのものが適当な大きさの孔を形成できる構造を有していること、が有効であることを見出した。   In order to solve the above problems, as a result of repeated studies on the gas diffusion layer, in order to sufficiently bring out the performance of the high performance catalyst layer proposed in Patent Document 1, a micropore layer adjacent to the catalyst layer is used. In addition, the material itself has a structure that can form pores of an appropriate size in order to use carbon black with an appropriate surface property for water as a main component and to secure a gas movement path or a water movement path. And found that is effective.

さらに、これらの特性を持った材料を的確に選定するために、定量的な指標を見出した。つまり、適当な水蒸気吸着量を持ったカーボンブラックを主成分とするマイクロポア層を触媒層に隣接して配置すること、及び、DBP吸油量と窒素吸着で求めた比表面積を利用して適当なストラクチャーを持ったカーボンブラックを選定し、マイクロポア層に使用すること、が有効であることを見出した。   Furthermore, in order to select materials with these characteristics accurately, quantitative indicators were found. In other words, a micropore layer mainly composed of carbon black having an appropriate water vapor adsorption amount is disposed adjacent to the catalyst layer, and an appropriate amount is obtained using the DBP oil absorption amount and the specific surface area obtained by nitrogen adsorption. It was found that selecting carbon black having a structure and using it for the micropore layer was effective.

また、このようなガス拡散層は、一般的な触媒層にも有用であることを見出し、本発明に至った。   Moreover, it has been found that such a gas diffusion layer is also useful for a general catalyst layer, and has led to the present invention.

即ち、本発明の要旨とするところは、以下の通りである。   That is, the gist of the present invention is as follows.

(1) 繊維状炭素材料を用いたガス拡散繊維層の片面にカーボンブラックを用いたマイクロポア層を有する2層構造の燃料電池用ガス拡散層であって、該マイクロポア層のカーボンブラックの25℃、相対湿度90%における水蒸気吸着量が、100mL/g以下であることを特徴とする燃料電池用ガス拡散層。 (1) A gas diffusion layer for a fuel cell having a two-layer structure having a micropore layer using carbon black on one side of a gas diffusion fiber layer using a fibrous carbon material, and having 25 of the carbon black of the micropore layer A gas diffusion layer for a fuel cell, wherein an adsorption amount of water vapor at 100 ° C. and a relative humidity of 90% is 100 mL / g or less.

(2) 前記マイクロポア層に用いられるカーボンブラックのDBP吸油量X(mL/100g)と窒素吸着比表面積Y(m2/g)の比X/Yが、1以上であることを特徴とする前記(1)に記載の燃料電池用ガス拡散層。 (2) The ratio X / Y of the DBP oil absorption amount X (mL / 100 g) and the nitrogen adsorption specific surface area Y (m 2 / g) of the carbon black used for the micropore layer is 1 or more. The gas diffusion layer for a fuel cell according to (1) above.

(3) 触媒成分と、炭素材料と、電解質材料とを用いた触媒層が、前記(1)又は(2)に記載の燃料電池用ガス拡散層の前記マイクロポア層に接して配置されていることを特徴とする3層構造の燃料電池用ガス拡散電極。 (3) A catalyst layer using a catalyst component, a carbon material, and an electrolyte material is disposed in contact with the micropore layer of the fuel cell gas diffusion layer according to (1) or (2). A gas diffusion electrode for a fuel cell having a three-layer structure.

(4) 前記触媒層の炭素材料が、触媒成分を担持した触媒担体炭素材料と触媒成分を担持していないガス拡散炭素材料からなり、該ガス拡散炭素材料の25℃、相対湿度90%における水蒸気吸着量が、100mL/g以下であることを特徴とする前記(3)に記載の燃料電池用ガス拡散電極。   (4) The carbon material of the catalyst layer is composed of a catalyst carrier carbon material carrying a catalyst component and a gas diffusion carbon material not carrying a catalyst component, and water vapor at 25 ° C. and a relative humidity of 90% of the gas diffusion carbon material. Adsorption amount is 100 mL / g or less, The gas diffusion electrode for fuel cells as described in said (3) characterized by the above-mentioned.

(5) プロトン伝導性電解質膜を挟んだ一対の電極を含む燃料電池であって、少なくとも一方の電極が、前記(3)又は(4)に記載の燃料電池用ガス拡散電極であることを特徴とする燃料電池。   (5) A fuel cell including a pair of electrodes sandwiching a proton conductive electrolyte membrane, wherein at least one of the electrodes is the gas diffusion electrode for a fuel cell according to (3) or (4). A fuel cell.

(6) プロトン伝導性電解質膜を挟んだ一対の電極を含む燃料電池であって、少なくとも一方の電極内に、前記(1)又は(2)に記載の燃料電池用ガス拡散層を含有することを特徴とする燃料電池。   (6) A fuel cell including a pair of electrodes sandwiching a proton conductive electrolyte membrane, wherein the fuel cell gas diffusion layer according to (1) or (2) is contained in at least one of the electrodes. A fuel cell.

本発明の燃料電池用ガス拡散層、燃料電池用ガス拡散電極、ならびに、これらを用いた燃料電池は、ガス拡散層に使用するカーボンブラックの特性が適切であるため、触媒層内を十分に加湿しつつ、発生した水滴等によってガスの拡散経路が閉塞し難く、より効率的な電池性能を発現させることができる。   The fuel cell gas diffusion layer, the fuel cell gas diffusion electrode, and the fuel cell using the fuel cell according to the present invention have adequate characteristics of the carbon black used for the gas diffusion layer, so that the catalyst layer is sufficiently humidified. However, it is difficult for the gas diffusion path to be blocked by the generated water droplets and the like, and more efficient battery performance can be exhibited.

本発明のガス拡散層は、2層構造であり、セパレーター側の層は繊維状炭素材料を主成分とするガス拡散繊維層と、触媒層側の層にはカーボンブラックを主成分とするマイクロポア層から構成される。   The gas diffusion layer of the present invention has a two-layer structure, the separator side layer is a gas diffusion fiber layer mainly composed of a fibrous carbon material, and the catalyst layer side layer is a micropore mainly composed of carbon black. Composed of layers.

セパレーター側に繊維状炭素材料を主成分としたガス拡散繊維層を選択した理由は、ガス透過性と電子伝導性の両立を狙ったためである。ガスが拡散し易い大きな孔径を形成しつつ、良好な電子伝導性を具備できる材料として、繊維状炭素材料は適当な材料である。特に限定するものではないが、好ましい例を示すならば、炭素繊維で構成されたカーボンクロスやカーボンペーパーを挙げることができる。   The reason why the gas diffusion fiber layer mainly composed of the fibrous carbon material is selected on the separator side is that the gas permeability and the electron conductivity are both aimed. A fibrous carbon material is a suitable material as a material that can have a good electron conductivity while forming a large pore diameter that facilitates gas diffusion. Although it does not specifically limit, if a preferable example is shown, the carbon cloth and carbon paper comprised with the carbon fiber can be mentioned.

本発明では、繊維状炭素材料はガス拡散繊維層の主成分であって、機械的強度を増す目的で、高分子材料等のバインダーで補強したり、さらに、これを炭化して用いたりする等、第二、第三の成分を複合しても構わない。   In the present invention, the fibrous carbon material is the main component of the gas diffusion fiber layer, and for the purpose of increasing mechanical strength, it is reinforced with a binder such as a polymer material or further carbonized. The second and third components may be combined.

さらには、繊維状炭素材料を、フッ素樹脂あるいは界面活性剤、シランカップリング剤等を用いて、繊維状炭素材料の表面をコーティングすることによって、撥水性を上げて用いることもできる。あるいは、繊維状炭素材料を不活性雰囲気下で熱処理して撥水性を高めることもできる。   Furthermore, the fibrous carbon material can be used with increased water repellency by coating the surface of the fibrous carbon material with a fluororesin, a surfactant, a silane coupling agent, or the like. Alternatively, the fibrous carbon material can be heat-treated in an inert atmosphere to improve water repellency.

コーティングの手法としては、フッ素樹脂エマルジョンや粉砕したフッ素樹脂を分散した液、あるいは、シランカップリング剤を含む液等を、ガス拡散繊維層に塗布、浸漬、スプレー等により接触させ、乾燥する方法等が挙げられる。フッ素樹脂のような場合、乾燥後に融点以上まで昇温し、溶融あるいは軟化させることによって、コーティングを均一化することもできる。   Coating methods include a method in which a liquid in which a fluororesin emulsion or a pulverized fluororesin is dispersed or a liquid containing a silane coupling agent is applied to the gas diffusion fiber layer by contact, dipping, spraying, etc., and then dried. Is mentioned. In the case of a fluororesin, the coating can be made uniform by raising the temperature to the melting point or higher after drying and melting or softening.

本発明のガス拡散繊維層は、大きな孔径を持つため構造が粗いので、直接ミクロな構造をもつ触媒層と接触するような構造では、セルを組んだときに、ガス拡散繊維層と触媒層の間の接触部位が少なかったり、触媒層に加わる面圧に粗い分布ができてしまう。これらは、例えば、触媒層内の電子伝導抵抗やガス拡散性、さらには、反応性等の分布につながり、結果として、十分に電池としての性能が発揮されなくなってしまう。   Since the gas diffusion fiber layer of the present invention has a large pore diameter and thus has a rough structure, in a structure that directly contacts a catalyst layer having a micro structure, when the cell is assembled, the gas diffusion fiber layer and the catalyst layer There are few contact parts in between, and a rough distribution is generated in the surface pressure applied to the catalyst layer. These lead to, for example, distribution of electron conduction resistance, gas diffusivity, and reactivity in the catalyst layer, and as a result, the performance as a battery is not sufficiently exhibited.

このような問題を防ぐために、マイクロポア層を、ガス拡散繊維層と触媒層の間に設ける。よりミクロな構造、好ましくは触媒層と同じ構造スケールを持ちつつ、ガス拡散性と電子伝導性を損なわない材料でガス拡散繊維層の構造の粗さを打ち消して触媒層と接続することができれば、触媒層中の反応分布を抑制することができ、十分に電池性能を発揮させることができる。   In order to prevent such a problem, a micropore layer is provided between the gas diffusion fiber layer and the catalyst layer. If it can be connected to the catalyst layer by canceling the roughness of the structure of the gas diffusion fiber layer with a material that does not impair the gas diffusibility and electronic conductivity while having a more micro structure, preferably the same structural scale as the catalyst layer, Reaction distribution in the catalyst layer can be suppressed, and battery performance can be sufficiently exhibited.

本発明のマイクロポア層には、カーボンブラックが主成分として用いられる。カーボンブラックが用いられる第一の理由は、触媒層と同じ構造スケールを持ち、優れた電子伝導性を持ち、種類によっては適切な表面特性を具備しているため、水によるガス拡散経路の閉塞を効果的に防ぐことができるためである。   Carbon black is used as a main component in the micropore layer of the present invention. The primary reason carbon black is used is that it has the same structural scale as the catalyst layer, has excellent electronic conductivity, and has appropriate surface characteristics depending on the type, so that the gas diffusion path is blocked by water. This is because it can be effectively prevented.

このようなカーボンブラックは、水蒸気吸着量を指標に選択することができる。具体的には、カーボンブラックの25℃、相対湿度90%における水蒸気吸着量が100mL/g以下であれば、例えば、カソード側で大電流放電時に生成する水によるガス拡散経路の閉塞を抑制でき、安定した電圧で電流を取り出すことができる。100mL/g超であると、電流放電時にマイクロポア層中に凝集水が滞り、ガス拡散経路が遮断され、電圧挙動が不安定になる。   Such carbon black can be selected using the water vapor adsorption amount as an index. Specifically, if the water vapor adsorption amount of carbon black at 25 ° C. and relative humidity 90% is 100 mL / g or less, for example, it is possible to suppress clogging of the gas diffusion path due to water generated during large current discharge on the cathode side, A current can be taken out with a stable voltage. If it exceeds 100 mL / g, the condensed water stays in the micropore layer during current discharge, the gas diffusion path is blocked, and the voltage behavior becomes unstable.

さらに高い効果を得るためには、25℃、相対湿度90%における水蒸気吸着量が1mL/g以上50mL/g以下であるカーボンブラックを選択することである。   In order to obtain a higher effect, carbon black having a water vapor adsorption amount of 1 mL / g to 50 mL / g at 25 ° C. and a relative humidity of 90% is selected.

上記水蒸気吸着量が上記範囲内であると、カソードの内部で生成する水が少ない小電流放電時においても、カソード中の電解質材料の乾燥を防ぎ、好適な湿潤状態を維持でき、かつ、大電流放電時にも、触媒層内部で生成する水を効率良く電極外へ排出し、ガスの拡散経路を確保できるため、低負荷から高負荷まで負荷条件によらず、全域にわたって効率の良い電池を得ることができる。   When the water vapor adsorption amount is within the above range, the electrolyte material in the cathode can be prevented from being dried and maintained in a suitable wet state even during a small current discharge with a small amount of water generated inside the cathode. Even during discharge, water generated inside the catalyst layer can be efficiently discharged out of the electrode, and a gas diffusion path can be secured, so an efficient battery can be obtained over the entire range regardless of load conditions from low load to high load. Can do.

また、25℃、相対湿度90%における水蒸気吸着量が1mL/g以上50mL/g以下である炭素材料であれば、2種類以上の炭素材料を混合して、ガス拡散炭素材料として使用することもできる。25℃、相対湿度90%における水蒸気吸着量が1mL/g未満であると、セル外部から加湿する効果が得られ難くなり、特に、起動時等で電解質材料が好適な湿潤状態を維持し辛くなり、プロトン伝導性が低下する恐れがある。   Moreover, if the carbon material has a water vapor adsorption amount of 1 mL / g or more and 50 mL / g or less at 25 ° C. and a relative humidity of 90%, two or more kinds of carbon materials may be mixed and used as a gas diffusion carbon material. it can. When the water vapor adsorption amount at 25 ° C. and relative humidity 90% is less than 1 mL / g, it becomes difficult to obtain the effect of humidifying from the outside of the cell, and it becomes difficult to maintain a suitable wet state especially in the electrolyte material at the time of start-up. , Proton conductivity may be reduced.

25℃、相対湿度90%における水蒸気吸着量が50mL/g超になると、大電流を継続的に取り出した時等に触媒層内部で生成する水の排出が追いつかず、ガス拡散経路を遮断してしまう恐れがある。   When the water vapor adsorption amount at 25 ° C. and 90% relative humidity exceeds 50 mL / g, the water generated inside the catalyst layer cannot catch up when a large current is continuously taken out, and the gas diffusion path is blocked. There is a risk.

ここで、本発明で指標となる25℃、相対湿度90%における水蒸気吸着量は、25℃の環境に置かれた炭素材料1g当りに吸着した水蒸気量を標準状態の水蒸気体積に換算して示した。25℃、相対湿度90%における水蒸気吸着量の測定は、市販の水蒸気吸着量測定装置を用いて測定することができる。あるいは、25℃、相対湿度90%の恒温恒湿槽に既知の質量の乾燥したカーボンブラックを十分な時間静置し、質量変化から測定することもできる。   Here, the water vapor adsorption amount at 25 ° C. and 90% relative humidity, which is an index in the present invention, is shown by converting the water vapor amount adsorbed per 1 g of the carbon material placed in the environment of 25 ° C. into the water vapor volume in the standard state. It was. The water vapor adsorption amount at 25 ° C. and relative humidity 90% can be measured using a commercially available water vapor adsorption amount measuring device. Alternatively, dry carbon black having a known mass can be allowed to stand for a sufficient time in a constant temperature and humidity chamber at 25 ° C. and a relative humidity of 90%, and measurement can be performed from the mass change.

本発明のマイクロポア層に用いるカーボンブラックは、一般に存在するカーボンブラック中から水蒸気吸着量を指標に選択することができる。あるいは、好適な範囲を外れた水蒸気吸着量を有するカーボンブラックであっても、処理を施すことによって好適な範囲に調整することが可能である。   The carbon black used for the micropore layer of the present invention can be selected from the generally existing carbon black using the water vapor adsorption amount as an index. Or even if it is carbon black which has the water vapor | steam adsorption amount which deviated from the suitable range, it can adjust to a suitable range by processing.

例えば、水蒸気吸着量が多過ぎる場合、一般には、フッ素樹脂等の配合量を増加させ、撥水性を付与することがあるが、電子伝導性や、さらには、ガス拡散性等を満足させるような制御が難しく、好ましくない。不活性雰囲気下でカーボンブラックを焼成し、水蒸気吸着量を好適な範囲にまで低下させる方法が好ましい。例えば、アルゴン、窒素、ヘリウム、真空等の雰囲気下で加熱処理することによって、水蒸気吸着量を低下させることができる。   For example, when the amount of water vapor adsorption is too large, the amount of fluorine resin or the like is generally increased to impart water repellency, but it may satisfy electron conductivity, gas diffusibility, etc. Control is difficult and undesirable. A method of firing carbon black in an inert atmosphere and reducing the water vapor adsorption amount to a suitable range is preferable. For example, the amount of water vapor adsorption can be reduced by heat treatment in an atmosphere such as argon, nitrogen, helium, or vacuum.

また、水蒸気吸着量が少な過ぎる場合には、炭素材料を酸や塩基等で炭素材料表面を処理したり、酸化雰囲気環境に曝したりすることによって、水蒸気吸着量を好適な範囲にまで増加させることができる。限定するものでは無いが、例えば、加温した濃硝酸中で処理したり、過酸化水素水溶液中に浸漬したり、アンモニア気流中で熱処理したり、加温した水酸化ナトリウム水溶液中に浸漬したり、希薄酸素や希薄NOあるいはNO2中で加熱処理したりすることによって、水蒸気吸着量を増加させることができる。 Also, if the amount of water vapor adsorption is too small, the water vapor adsorption amount should be increased to a suitable range by treating the surface of the carbon material with an acid or base or exposing it to an oxidizing atmosphere environment. Can do. Without limitation, for example, treatment in warm concentrated nitric acid, immersion in an aqueous hydrogen peroxide solution, heat treatment in an ammonia stream, immersion in a heated aqueous sodium hydroxide solution The amount of water vapor adsorption can be increased by heat treatment in dilute oxygen, dilute NO or NO 2 .

本発明のマイクロポア層にカーボンブラックが用いられる第二の理由は、カーボンブラックの立体構造にある。カーボンブラックは、一次粒子が複数個融着し、ストラクチャーと呼ばれる二次構造を形成している。種類によっては、このストラクチャーが発達しており、一次粒子のネットワークが空間を抱え込んだ構造になっている。マイクロポア層では、このような空間をつなぎ合わせることによって、一次粒子のネットワークに囲まれたガスの拡散経路を形成させることができる。   The second reason why carbon black is used for the micropore layer of the present invention is the three-dimensional structure of carbon black. In carbon black, a plurality of primary particles are fused to form a secondary structure called a structure. Depending on the type, this structure has developed, and the network of primary particles has a structure that encloses space. In the micropore layer, a gas diffusion path surrounded by a network of primary particles can be formed by connecting such spaces.

このように形成されたガス拡散経路は、セルを強く締結したときでも壊れ難く、マイクロポア層形成時の孔径を長期間にわたって保持し易い。また、ストラクチャーを指標にカーボンブラックの種類さえ決定すれば、マイクロポア層に形成されるガス拡散経路の孔径は決まってくるため、制御がし易いと言う利点もある。   The gas diffusion path formed in this way is not easily broken even when the cell is strongly fastened, and it is easy to maintain the hole diameter when the micropore layer is formed over a long period of time. Further, if the type of carbon black is determined using the structure as an index, the hole diameter of the gas diffusion path formed in the micropore layer is determined, so there is an advantage that control is easy.

本発明のマイクロポア層には、主成分として、より高ストラクチャーなカーボンブラックが用いられることが好ましい。低ストラクチャーであると、ストラクチャーによるガス拡散経路の形成が期待できなくなるためである。ストラクチャーの程度は、電子顕微鏡で観察して決定する方法もあるが、DBP吸油量と比表面積の関係で判断できる。   In the micropore layer of the present invention, carbon black having a higher structure is preferably used as a main component. This is because if the structure is low, formation of a gas diffusion path by the structure cannot be expected. The degree of the structure can be determined by observing with an electron microscope, but can be determined by the relationship between the DBP oil absorption and the specific surface area.

DBP吸油量とは、単位質量のカーボンブラックにフタル酸ジブチルを接触させたときに、カーボンブラックに吸収されるフタル酸ジブチルの量のことであり、主に、一次粒子の間隙に吸収されるので、ストラクチャーが発達しているとDBP吸油量は大きくなり、ストラクチャーがあまり発達していないと、DBP吸油量は小さくなる傾向にある。   The DBP oil absorption amount is the amount of dibutyl phthalate absorbed by carbon black when unitary carbon black is brought into contact with carbon black, and is mainly absorbed in the gaps between primary particles. When the structure is developed, the DBP oil absorption amount becomes large, and when the structure is not so developed, the DBP oil absorption amount tends to be small.

ただし、DBPは、一次粒子の間隙以外に一次粒子内部に形成された微細孔にも吸収されるので、DBP吸油量がそのままストラクチャーの程度を表すとは限らない。なぜなら、窒素吸着量で測定されるような比表面積が大きくなると、微細孔に吸収されるDBPが多くなり、全体のDBP吸油量も大きくなるからである。   However, DBP is absorbed not only by the gaps between the primary particles but also by the fine pores formed inside the primary particles, so that the DBP oil absorption amount does not always represent the degree of the structure. This is because as the specific surface area as measured by the nitrogen adsorption amount increases, the DBP absorbed in the micropores increases, and the overall DBP oil absorption amount also increases.

したがって、高ストラクチャーカーボンブラックでは、窒素吸着量の割にはDBP吸油量が大きくなり、逆に、低ストラクチャーカーボンブラックでは、窒素吸着量の割にDBP吸油量が小さくなる。   Therefore, in the high structure carbon black, the DBP oil absorption amount is large for the nitrogen adsorption amount, and conversely, in the low structure carbon black, the DBP oil absorption amount is small for the nitrogen adsorption amount.

好ましくは、DBP吸油量X(mL/100g)と窒素吸着比表面積Y(m2/g)の比X/Yが1以上であるカーボンブラックを用いると、好ましいガス拡散経路を具備したマイクロポア層が形成できる。X/Yの比が1以上であると、ストラクチャーが大きく、ストラクチャーによるガス拡散経路の形成が期待できるためである。 Preferably, when carbon black having a ratio X / Y of DBP oil absorption X (mL / 100 g) and nitrogen adsorption specific surface area Y (m 2 / g) of 1 or more is used, a micropore layer having a preferable gas diffusion path Can be formed. This is because when the X / Y ratio is 1 or more, the structure is large and a gas diffusion path can be expected to be formed by the structure.

X/Yの比が1未満であると、ストラクチャーによるガス拡散経路形成は期待できず、カーボンブラックの二次粒子間の間隙が、主に、ガス拡散経路を形成することになるので、十分な孔径を確保できなく、また、セル締結時に孔が壊れ易いため、制御し難く、安定して触媒層の性能を引き出すことが難しい。   When the X / Y ratio is less than 1, formation of a gas diffusion path due to the structure cannot be expected, and the gap between the secondary particles of carbon black mainly forms a gas diffusion path. The hole diameter cannot be secured, and the holes are easily broken when the cells are fastened, so that it is difficult to control and it is difficult to stably extract the performance of the catalyst layer.

より好ましくは、X/Yの比が1.5以上である。1.5以上であると、ストラクチャーによるガス拡散経路のネットワークが十分に発達し、高電流を取り出したときもフラッディングし難くなる。このようなストラクチャーであれば、ガスが拡散し易く、水によるガス拡散経路の閉塞が起こり辛いので、触媒層が有する本来の性能が引き出され易い。   More preferably, the X / Y ratio is 1.5 or more. If it is 1.5 or more, the network of gas diffusion paths due to the structure is sufficiently developed, and flooding becomes difficult even when a high current is taken out. With such a structure, gas easily diffuses, and it is difficult to block the gas diffusion path by water, so that the original performance of the catalyst layer is easily extracted.

本発明のマイクロポアに使用できるカーボンブラックは、例えば、市販のカーボンブラックを水蒸気吸着量、及び、DBP吸油量と窒素吸着比表面積の比を調べることによって選定できる。あるいは、DBP吸油量と窒素吸着比表面積の比は好適範囲を満足しているが、水蒸気吸着量は好適範囲から外れている場合は、前述の方法で水蒸気吸着量を人為的に変化させ、最適化して用いることができる。   The carbon black that can be used in the micropore of the present invention can be selected, for example, by examining the amount of water vapor adsorption and the ratio of the DBP oil absorption amount and the nitrogen adsorption specific surface area of commercially available carbon black. Alternatively, the ratio of the DBP oil absorption amount and the nitrogen adsorption specific surface area satisfies the preferred range, but when the water vapor adsorption amount is outside the preferred range, the water vapor adsorption amount is artificially changed by the above-described method, and the optimum Can be used.

カーボンブラックの種類は、一般的に存在する電子伝導性を有するものであれば、特に限定するものではないが、本来求められる反応以外の化学反応を起したり、凝集水との接触によって炭素材料を構成する物質が溶出するような材料は好ましくなく、化学的に安定なものが好ましい。   The type of carbon black is not particularly limited as long as it has electron conductivity that is generally present, but it may cause a chemical reaction other than the originally required reaction, or may be a carbon material by contact with condensed water. A material from which the substance constituting the substance is eluted is not preferable, and a chemically stable material is preferable.

マイクロポア層には、主成分として以上のようなカーボンブラックが使用できるが、機能を高める副成分として他の材料を複合することも可能である。例えば、マイクロポア層のカーボンブラックの表面特性や構造を損なわず機械的強度を増す目的で、少量のフッ素樹脂等の高分子材料でカーボンブラックを固定しても構わない。   In the micropore layer, carbon black as described above can be used as a main component, but other materials can be combined as an auxiliary component for enhancing the function. For example, the carbon black may be fixed with a small amount of a polymer material such as a fluororesin for the purpose of increasing the mechanical strength without impairing the surface characteristics and structure of the carbon black of the micropore layer.

このような高分子材料の配合量は、マイクロポア層の総質量に対して40質量%以下が好ましい。40質量%超であると、ガス拡散経路となる孔が高分子材料で埋められたり、高分子材料とカーボンブラックの凝集によって形成される孔が大多数になり、カーボンブラックのストラクチャーだけに孔径を依存させることが難しくなる。   The blending amount of such a polymer material is preferably 40% by mass or less with respect to the total mass of the micropore layer. If it exceeds 40% by mass, the pores that become the gas diffusion path are filled with a polymer material, or the majority of pores formed by the aggregation of the polymer material and carbon black become large, and the pore diameter is limited only to the structure of carbon black. It becomes difficult to make it depend.

より好ましくは、20質量%以下である。20%以下であれば、高分子材料による影響が小さく、ストラクチャーが形成する孔をマイクロポア層に生かすことができるため、制御し易く、長期間にわたって変化し難いガス拡散経路をマイクロポア層に形成させることができる。   More preferably, it is 20 mass% or less. If it is 20% or less, the influence of the polymer material is small, and the pores formed by the structure can be utilized in the micropore layer, so a gas diffusion path that is easy to control and difficult to change over a long period is formed in the micropore layer. Can be made.

本発明に使用される触媒層は、触媒成分と、炭素材料と、電解質材料を含む混合物で構成されていれば、特に限定しない。ガス拡散層が優れているため、触媒層の持つ性能を十分に引き出すことができる。   The catalyst layer used in the present invention is not particularly limited as long as it is composed of a mixture containing a catalyst component, a carbon material, and an electrolyte material. Since the gas diffusion layer is excellent, the performance of the catalyst layer can be sufficiently extracted.

本発明の触媒層に使用される炭素材料の種類は、一般的に存在する電子伝導性を有する炭素材料であれば、特に限定するものではないが、本来求められる反応以外の化学反応を起したり、凝集水との接触によって炭素材料を構成する物質が溶出するような材料は好ましくなく、化学的に安定な炭素材料が好ましい。   The type of carbon material used in the catalyst layer of the present invention is not particularly limited as long as it is a carbon material having an electron conductivity that is generally present, but it causes a chemical reaction other than the originally required reaction. In addition, a material from which a substance constituting the carbon material is eluted by contact with the condensed water is not preferable, and a chemically stable carbon material is preferable.

また、炭素材料の一次粒子径は1μm以下が好ましく、これより大きな炭素材料は粉砕して用いることができる。一次粒子径が1μm超であると、ガス拡散経路やプロトン伝導経路を分断する恐れが高くなる他、触媒層中の炭素材料の分布が不均一になり易く、好ましくない。   Further, the primary particle diameter of the carbon material is preferably 1 μm or less, and a carbon material larger than this can be pulverized and used. When the primary particle diameter is more than 1 μm, there is a high possibility that the gas diffusion path and the proton conduction path are divided, and the distribution of the carbon material in the catalyst layer tends to be uneven, which is not preferable.

好ましい炭素材料としては、カーボンブラックが最も一般的であるが、その他にも、黒鉛、炭素繊維、活性炭等やこれらの粉砕物、カーボンナノファイバー、カーボンナノチューブ等の炭素化合物等が使用できる。また、これらの2種類以上を混合して使用することもできる。   As a preferred carbon material, carbon black is the most common, but in addition, graphite, carbon fiber, activated carbon, etc., pulverized products thereof, carbon compounds such as carbon nanofiber, carbon nanotube, and the like can be used. Moreover, these two or more types can be mixed and used.

本発明の触媒層に含有する炭素材料は、触媒担体炭素材料とガス拡散炭素材料に分けて構成させるとより好ましい。   The carbon material contained in the catalyst layer of the present invention is more preferably divided into a catalyst carrier carbon material and a gas diffusion carbon material.

触媒成分が担持されていない炭素材料、即ち、ガス拡散炭素材料を触媒層中に含ませることによって、触媒層中にガスが拡散できる経路を発達させることができ、アノードであれば、水素あるいは水素を主体とした混合ガス、カソードであれば、酸素あるいは空気等が、触媒層中に拡散し易くなり、多くの触媒表面と接触できる。そのため、効率的に触媒層での反応を進行させ、高い電池性能が得られる。   By including a carbon material in which the catalyst component is not supported, that is, a gas diffusion carbon material in the catalyst layer, a path through which the gas can diffuse in the catalyst layer can be developed. In the case of a mixed gas or cathode mainly composed of oxygen, oxygen or air easily diffuses into the catalyst layer and can come into contact with many catalyst surfaces. Therefore, the reaction in the catalyst layer is efficiently advanced, and high battery performance is obtained.

本発明の触媒層に使用される触媒担体炭素材料は、供給されるガスの種類に対して効果的な触媒成分が担持できて、電子伝導性が良好な炭素材料であれば、触媒成分や炭素材料の種類を限定するものではない。触媒成分の例としては、白金、パラジウム、ルテニウム、金、ロジウム、オスミウム、イリジウム等の貴金属、これらの貴金属を2種類以上複合化した貴金属の複合体や合金、貴金属と有機化合物や無機化合物との錯体、遷移金属、遷移金属と有機化合物や無機化合物との錯体、金属酸化物等を挙げることができる。また、これらの2種類以上を複合したもの等も用いることもできる。   The catalyst support carbon material used in the catalyst layer of the present invention can carry a catalyst component effective for the type of gas to be supplied, and if it is a carbon material with good electron conductivity, the catalyst component and carbon The kind of material is not limited. Examples of catalyst components include noble metals such as platinum, palladium, ruthenium, gold, rhodium, osmium, and iridium, composites and alloys of noble metals obtained by compounding two or more of these noble metals, noble metals and organic compounds and inorganic compounds. A complex, a transition metal, a complex of a transition metal and an organic compound or an inorganic compound, a metal oxide, and the like can be given. Moreover, what compounded these 2 or more types can also be used.

触媒担体炭素材料の例としては、カーボンブラックが最も一般的であるが、その他にも、黒鉛、炭素繊維、活性炭等やこれらの粉砕物、カーボンナノファイバー、カーボンナノチューブ等の炭素化合物等が使用できる。また、これらの2種類以上を混合して使用することもできる。   As an example of the catalyst support carbon material, carbon black is the most common, but in addition, graphite, carbon fiber, activated carbon, etc., pulverized products thereof, carbon compounds such as carbon nanofiber, carbon nanotube, etc. can be used. . Moreover, these two or more types can be mixed and used.

触媒担体炭素材料の触媒層中における好ましい含有率は、触媒担体炭素材料やガス拡散炭素材料の種類や含有率、触媒成分の種類や担持率によって影響を受けるので、特定することはできない。5質量%以上80質量%以下の範囲であれば、少なくとも、燃料電池が機能し、本発明の効果を得ることができる。   The preferable content of the catalyst support carbon material in the catalyst layer is affected by the type and content of the catalyst support carbon material and the gas diffusion carbon material, the type of catalyst component and the support rate, and thus cannot be specified. If it is the range of 5 mass% or more and 80 mass% or less, a fuel cell will function at least and the effect of this invention can be acquired.

より好ましい範囲を例示するならば、10質量%以上60質量%以下である。この範囲外であると、他の主成分とのバランスが悪くなり、効率の良い燃料電池にならない。例えば、5質量%未満であると、触媒担体炭素材料に担持される触媒成分の量が少なくなり過ぎる。また、例えば、80質量%超であると、電解質材料の量が少なくなり過ぎて、プロトンの伝達経路が貧弱になるため、やはり効率の良い電池にはならない。   If a more preferable range is illustrated, it is 10 mass% or more and 60 mass% or less. If it is out of this range, the balance with other main components is deteriorated, and an efficient fuel cell cannot be obtained. For example, if it is less than 5% by mass, the amount of the catalyst component supported on the catalyst support carbon material becomes too small. For example, if it exceeds 80% by mass, the amount of the electrolyte material becomes too small and the proton transmission path becomes poor, so that an efficient battery cannot be obtained.

さらに、触媒担体炭素材料が、25℃、相対湿度90%における水蒸気吸着量が50mL/g以上のものであると、触媒成分近傍にある電解質が適当な湿潤状態を保ち、プロトン伝導性の低下を防ぐことができるので、カソードの触媒成分上で水があまり生成しない低電流放電時にも、プロトン伝導抵抗が上昇せず、燃料電池として好ましい状態を維持できる。   Furthermore, when the catalyst support carbon material has a water vapor adsorption amount of 50 mL / g or more at 25 ° C. and a relative humidity of 90%, the electrolyte in the vicinity of the catalyst component is kept in a suitable wet state, and the proton conductivity is lowered. Therefore, the proton conduction resistance does not increase even during a low current discharge in which water is not generated so much on the catalyst component of the cathode, and a favorable state as a fuel cell can be maintained.

また、このような触媒担持炭素材料上では、一般的に担持される触媒成分が微細化され易く、少ない触媒成分量であっても、反応表面積が大きくできるため、好ましい。   Moreover, on such a catalyst-supporting carbon material, the catalyst component generally supported is easy to be miniaturized, and the reaction surface area can be increased even with a small amount of the catalyst component, which is preferable.

したがって、触媒担持炭素材料は、水に対して濡れ易いほど良く、25℃、相対湿度90%における水蒸気吸着量の好ましい範囲の上限値を限定することはできない。   Therefore, the catalyst-supporting carbon material is better as it is easily wetted with water, and the upper limit value of the preferable range of the water vapor adsorption amount at 25 ° C. and relative humidity of 90% cannot be limited.

ただし、炭素材料を触媒担体に使用する限り、水蒸気を吸着できる量には限界が存在するはずなので、仮に、25℃、相対湿度90%における水蒸気吸着量の実質的な上限値を例示するならば、高比表面積の活性炭で得られる1500mL/g程度を挙げることができる。   However, as long as the carbon material is used as a catalyst carrier, there is a limit to the amount of water vapor that can be adsorbed. Therefore, if a substantial upper limit value of the amount of water vapor adsorption at 25 ° C. and 90% relative humidity is illustrated as an example. And about 1500 mL / g obtained with activated carbon having a high specific surface area.

相対湿度90%における水蒸気吸着量が50mL/gより低いと、触媒成分近傍にある電解質が乾き易くなり、プロトン伝導性が低下し易くなるため、好ましくない。また、担持される触媒成分の粒子径も一般的に大きくなりがちで、十分な電池性能を発揮させるためには大量の触媒成分量を必要とするため、好ましくない。   When the water vapor adsorption amount at a relative humidity of 90% is lower than 50 mL / g, the electrolyte in the vicinity of the catalyst component tends to dry and proton conductivity tends to decrease, which is not preferable. In addition, the particle size of the supported catalyst component generally tends to be large, and a large amount of the catalyst component is required to exhibit sufficient battery performance, which is not preferable.

本発明の触媒層に使用されるガス拡散炭素材料の触媒層中における含有率は、5質量%以上50質量%以下の範囲内にあると、より好ましい。5質量%未満では、ガス拡散経路を十分拡大することができず、ガス拡散炭素材料を含ませる効果が不明確になる。50質量%超では、プロトン伝導経路が貧弱になり、IRドロップが大きくなるため、電池性能が低下する。   The content of the gas diffusion carbon material used in the catalyst layer of the present invention in the catalyst layer is more preferably in the range of 5% by mass to 50% by mass. If it is less than 5% by mass, the gas diffusion path cannot be sufficiently expanded, and the effect of including the gas diffusion carbon material becomes unclear. If it exceeds 50% by mass, the proton conduction path becomes poor and the IR drop becomes large, so that the battery performance is lowered.

使用する炭素材料の種類や形態にもよるが、10質量%以上35質量%以下がもっとも好ましい。この範囲にあると、プロトン伝導経路と電子伝導経路を損なうことなく、ガス拡散経路を発達させることができる。   Although depending on the type and form of the carbon material to be used, it is most preferably 10% by mass or more and 35% by mass or less. Within this range, the gas diffusion path can be developed without impairing the proton conduction path and the electron conduction path.

特に、ガス拡散炭素材料の25℃、相対湿度90%における水蒸気吸着量が100mL/g以下であると、この効果は顕著である。   In particular, this effect is significant when the amount of water vapor adsorption at 25 ° C. and 90% relative humidity of the gas diffusion carbon material is 100 mL / g or less.

ガス拡散炭素材料の25℃、相対湿度90%における水蒸気吸着量が100mL/g以下であれば、大電流放電時に生成する水によるガス拡散経路の閉塞をさらに抑制でき、安定した電圧で電流を取り出すことができる。100mL/g超であると、電流放電時に触媒層中に凝集水が滞り、ガス拡散経路が遮断され易くなり、電圧挙動が不安定になり易くなる。   If the water vapor adsorption amount at 25 ° C. and relative humidity 90% of the gas diffusion carbon material is 100 mL / g or less, it is possible to further suppress the blockage of the gas diffusion path due to water generated during large current discharge, and to take out the current with a stable voltage. be able to. If it exceeds 100 mL / g, the condensed water is stagnated in the catalyst layer during current discharge, the gas diffusion path is likely to be blocked, and the voltage behavior tends to become unstable.

さらに高い効果を得るためには、水に対する表面特性が適当な範囲にあるガス拡散炭素材料を用いる。具体的には、25℃、相対湿度90%における水蒸気吸着量が1mL/g以上50mL/g以下である炭素材料を、ガス拡散炭素材料として選択することである。   In order to obtain a higher effect, a gas diffusion carbon material having surface characteristics with respect to water in an appropriate range is used. Specifically, a carbon material having a water vapor adsorption amount of 1 mL / g or more and 50 mL / g or less at 25 ° C. and a relative humidity of 90% is selected as the gas diffusion carbon material.

この範囲内であると、カソードの内部で生成する水が少ない小電流放電時においても、カソード中の電解質材料の乾燥を防ぎ、好適な湿潤状態を維持でき、かつ、大電流放電時にも、触媒層内部で生成する水を効率良く触媒層外へ排出し、ガスの拡散経路を確保できるため、低負荷から高負荷まで負荷条件によらず、全域にわたって効率の良い電池を得ることができる。   Within this range, it is possible to prevent the electrolyte material in the cathode from being dried and maintain a suitable wet state even during a small current discharge with a small amount of water generated inside the cathode. Since water generated inside the bed can be efficiently discharged out of the catalyst bed and a gas diffusion path can be secured, an efficient battery can be obtained over the entire region regardless of load conditions from low load to high load.

また、25℃、相対湿度90%における水蒸気吸着量が1mL/g以上50mL/g以下である炭素材料であれば、2種類以上の炭素材料を混合して、ガス拡散炭素材料として使用することもできる。   Moreover, if the carbon material has a water vapor adsorption amount of 1 mL / g or more and 50 mL / g or less at 25 ° C. and a relative humidity of 90%, two or more kinds of carbon materials may be mixed and used as a gas diffusion carbon material. it can.

25℃、相対湿度90%における水蒸気吸着量が1mL/g未満であると、特に、低電流放電時に、触媒層中に共存する電解質材料が好適な湿潤状態を維持し難くなり、プロトン伝導性が低下する恐れがあるため、ガス拡散炭素材料を添加する効果が低くなることがある。   When the water vapor adsorption amount at 25 ° C. and relative humidity 90% is less than 1 mL / g, the electrolyte material coexisting in the catalyst layer is difficult to maintain a suitable wet state, particularly during low current discharge, and proton conductivity is reduced. Since there exists a possibility that it may fall, the effect of adding a gas diffusion carbon material may become low.

25℃、相対湿度90%における水蒸気吸着量が50mL/g超になると、大電流を継続的に取り出したとき等に、触媒層内部で生成する水の排出が追いつかず、ガス拡散経路を遮断してしまう恐れがあるため、ガス拡散炭素材料を添加する効果が低くなることがある。   When the amount of water vapor adsorption at 25 ° C and 90% relative humidity exceeds 50 mL / g, when a large current is continuously taken out, the water generated inside the catalyst layer cannot catch up, blocking the gas diffusion path. Therefore, the effect of adding the gas diffusion carbon material may be reduced.

本発明のガス拡散炭素材料や触媒担体炭素材料水和性の制御は、一般に存在する炭素材料中から水蒸気吸着量を指標に選択することによって達成できる。あるいは、好適な範囲より少ない水蒸気吸着量を持つ炭素材料である場合においても、炭素材料を酸や塩基等で炭素材料表面を処理したり、酸化雰囲気環境に曝したりすることによって、水蒸気吸着量を好適な範囲にまで増加させることができる。   Control of the hydratability of the gas diffusion carbon material and catalyst support carbon material of the present invention can be achieved by selecting the water vapor adsorption amount as an index from the carbon materials generally present. Alternatively, even in the case of a carbon material having a water vapor adsorption amount less than the preferred range, the water vapor adsorption amount can be reduced by treating the carbon material surface with an acid, a base, or the like, or exposing the carbon material to an oxidizing atmosphere environment. It can be increased to a suitable range.

限定するものでは無いが、例えば、加温した濃硝酸中で処理したり、過酸化水素水溶液中に浸漬したり、アンモニア気流中で熱処理したり、加温した水酸化ナトリウム水溶液中に浸漬したり、希薄酸素や希薄NOあるいはNO2中で加熱処理したりすることによって、水蒸気吸着量を増加させることができる。 Without limitation, for example, treatment in warm concentrated nitric acid, immersion in an aqueous hydrogen peroxide solution, heat treatment in an ammonia stream, immersion in a heated aqueous sodium hydroxide solution The amount of water vapor adsorption can be increased by heat treatment in dilute oxygen, dilute NO or NO 2 .

逆に、水蒸気吸着量が多過ぎる場合、不活性雰囲気下で焼成することによって、水蒸気吸着量を好適な範囲にまで低下させることもできる。限定するものではないが、アルゴン、窒素、ヘリウム、真空等の雰囲気下で加熱処理することによって、水蒸気吸着量を低下させることができる。   On the other hand, when the amount of water vapor adsorption is too large, the water vapor adsorption amount can be reduced to a suitable range by firing in an inert atmosphere. Although not limited, the amount of water vapor adsorption can be reduced by heat treatment in an atmosphere of argon, nitrogen, helium, vacuum, or the like.

本発明に使用される触媒層は、使用される電解質膜、電解質材料の種類や形態によらず効果を発揮するものであって、これらに特に限定されるものではない。   The catalyst layer used in the present invention exhibits an effect regardless of the type and form of the electrolyte membrane and electrolyte material used, and is not particularly limited thereto.

本発明の燃料電池に含まれる触媒層が最も効果を発揮する燃料電池は、触媒層中で水が凝集し易い条件下で作動する燃料電池、例えば、固体高分子形燃料電池等に使用されることが好ましいが、電解質の種類や形態、作動温度等に本発明の触媒層の効果が依存されるものではない。   The fuel cell in which the catalyst layer included in the fuel cell of the present invention is most effective is used in a fuel cell that operates under conditions where water easily aggregates in the catalyst layer, such as a polymer electrolyte fuel cell. However, the effect of the catalyst layer of the present invention is not dependent on the type, form, operating temperature, etc. of the electrolyte.

本発明に使用される電解質膜や触媒層中に使用される電解質材料は、リン酸基、スルホン酸基等を導入した高分子、例えば、パーフルオロスルホン酸ポリマーやベンゼンスルホン酸が導入されたポリマー等を挙げることができるが、高分子に限定するものではなく、無機系、無機−有機ハイブリッド系等の電解質膜を使用した燃料電池に使用しても差し支えない。特に好適な作動温度範囲を例示するならば、常温〜150℃の範囲内で作動する燃料電池が好ましい。   The electrolyte material used in the electrolyte membrane or catalyst layer used in the present invention is a polymer in which a phosphoric acid group, a sulfonic acid group or the like is introduced, such as a polymer in which perfluorosulfonic acid polymer or benzenesulfonic acid is introduced. However, the present invention is not limited to polymers, and may be used for fuel cells using electrolyte membranes such as inorganic and inorganic-organic hybrids. If a particularly preferable operating temperature range is exemplified, a fuel cell that operates within a range of room temperature to 150 ° C. is preferable.

また、触媒担体炭素材料と電解質材料の触媒層中での質量比は、1/5〜5/1が好ましい。1/5より触媒担体炭素材料が少ないと、過度に触媒表面が電解質材料に覆われてしまい、反応ガスが触媒成分と接触できる面積が小さくなるため好ましくなく、5/1より過剰に触媒担体炭素材料が含有すると、電解質材料のネットワークが貧弱になり、プロトン伝導性が低くなるため好ましくない。   The mass ratio of the catalyst carrier carbon material and the electrolyte material in the catalyst layer is preferably 1/5 to 5/1. If the catalyst support carbon material is less than 1/5, the surface of the catalyst is excessively covered with the electrolyte material, and the area where the reaction gas can come into contact with the catalyst component is reduced. When the material is contained, the network of the electrolyte material becomes poor and the proton conductivity is lowered, which is not preferable.

本発明のガス拡散層及びガス拡散電極、並びに燃料電池の機能は、作製方法によって限定されるものではない。   The functions of the gas diffusion layer and gas diffusion electrode and fuel cell of the present invention are not limited by the production method.

一般的に可能な方法を例示するならば、以下の通りである。例えば、カーボンペーパーあるいはカーボンクロスを必要に応じてテフロン分散液に浸漬し、乾燥・焼成を行い撥水化した後、カーボンブラックと必要に応じてテフロンエマルジョンを混合して分散液を作成し、これをスプレーでコーティングし、乾燥・熱処理を行い、マイクロポア層を形成し、本発明のガス拡散層を得る。   An example of a generally possible method is as follows. For example, carbon paper or carbon cloth is immersed in a Teflon dispersion as necessary, dried and fired to make it water repellent, and then mixed with carbon black and Teflon emulsion as necessary to create a dispersion. Is coated with spray, dried and heat-treated to form a micropore layer, and the gas diffusion layer of the present invention is obtained.

その後、触媒層を形成させるためのインクをマイクロポア層側にスプレーで塗布・乾燥し、本発明のガス拡散電極を得る。電池として使用する場合は、作製した本発明のガス拡散電極2枚で、電解質膜を挟み、ホットプレスにて圧着し、セパレーターに組み込み電池にする。   Thereafter, the ink for forming the catalyst layer is sprayed and dried on the micropore layer side to obtain the gas diffusion electrode of the present invention. When used as a battery, an electrolyte membrane is sandwiched between two produced gas diffusion electrodes of the present invention, and is crimped by a hot press to be incorporated into a separator to form a battery.

以上の工程の中で、例えば、ガス拡散層の機械的強度を増す目的で、ガス拡散層ができた段階でホットプレスを行い、その後、触媒層をコーティングしても構わない。また、マイクロポア層や触媒層のコーティングにおいて、コーティングの方法は、ガス拡散繊維層の上にマイクロポア層、あるいはマイクロポア層の上に触媒層が形成できれば、粉体塗装や電気泳動等を利用しても構わない。あるいは、マイクロポア層や触媒層を各々独立にフィルム状に形成し、これを積層し、ホットプレスで圧着する等の手法も取ることができる。   In the above steps, for example, for the purpose of increasing the mechanical strength of the gas diffusion layer, hot pressing may be performed when the gas diffusion layer is formed, and then the catalyst layer may be coated. In addition, in the coating of the micropore layer and the catalyst layer, the coating method uses powder coating, electrophoresis, etc. if the micropore layer can be formed on the gas diffusion fiber layer or the catalyst layer can be formed on the micropore layer. It doesn't matter. Alternatively, it is also possible to take a technique such as forming the micropore layer and the catalyst layer independently in a film shape, laminating them, and pressing them with a hot press.

<カーボンブラックの物性測定>
本発明のガス拡散層、又は、ガス拡散電極、並びに燃料電池の実施例を示すに当たり、9種のカーボンブラックA〜Iを準備した。表1に、各種カーボンブラックの水蒸気吸着量、DBP吸油量X(mL/100g)、窒素吸着比表面積Y(m2/g)、X/Yを示した。
<Measurement of physical properties of carbon black>
In order to show examples of the gas diffusion layer or gas diffusion electrode and fuel cell of the present invention, nine types of carbon blacks A to I were prepared. Table 1 shows the water vapor adsorption amount, DBP oil absorption amount X (mL / 100 g), nitrogen adsorption specific surface area Y (m 2 / g), and X / Y of various carbon blacks.

Figure 0004520815
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なお、水蒸気吸着量は、定容量式水蒸気吸着装置(日本ベル製、BELSORP18)を用いて測定し、120℃、1Pa以下で2時間脱気前処理を行った試料を、25℃の恒温中に保持し、真空状態から、25℃における水蒸気の飽和蒸気圧までの間、徐々に水蒸気を供給して、段階的に相対湿度を変化させ、水蒸気吸着量を測定した。   The water vapor adsorption amount was measured using a constant capacity water vapor adsorption device (BELSORP18, manufactured by Nippon Bell Co., Ltd.). The water vapor was gradually supplied from the vacuum state to the saturated vapor pressure of water vapor at 25 ° C., the relative humidity was changed stepwise, and the water vapor adsorption amount was measured.

得られた測定結果から吸着等温線を描き、図から相対湿度90%のときの水蒸気吸着量を読み取った。表1では、読み取った水蒸気量を試料1g当たりに吸着した標準状態の水蒸気体積に換算して示した。   An adsorption isotherm was drawn from the obtained measurement results, and the water vapor adsorption amount at a relative humidity of 90% was read from the figure. In Table 1, the read water vapor amount is shown in terms of the water vapor volume in the standard state adsorbed per 1 g of the sample.

窒素吸着比表面積は、120℃で真空乾燥したサンプルを自動比表面積測定装置(日本ベル製、BELSORP36)を用いて、窒素ガスにて測定し、BET法に基づく1点法にて比表面積を決定した。   Nitrogen adsorption specific surface area is measured with nitrogen gas using an automatic specific surface area measuring device (BELSORP36 manufactured by Nippon Bell Co., Ltd.) after vacuum drying at 120 ° C, and the specific surface area is determined by a one-point method based on the BET method. did.

DBP吸油量は、アブソープトメーター(Brabender社製)を用いて、最大トルクの70%の時のDBP添加量を試料100g当たりのDBP吸油量に換算して決定した。   The DBP oil absorption amount was determined by converting the DBP addition amount at 70% of the maximum torque into the DBP oil absorption amount per 100 g of the sample using an absorber meter (manufactured by Brabender).

<ガス拡散層の作製>
市販のカーボンペーパー(東レ製TGP−H−060)とカーボンクロス(ElectroChem社製EC−CC1−060)を準備し、これらを5%に希釈したテフロン分散液中に浸漬した後、乾燥し、さらにアルゴン気流中で340℃に昇温して、ガス拡散繊維層を作製した。また、カーボンブラックA〜Iをそれぞれ1gにエタノール99gを加え、ボールミルでカーボンブラックを粉砕し、一次分散液を作った。
<Production of gas diffusion layer>
Commercially available carbon paper (Toray TGP-H-060) and carbon cloth (ElectroChem EC-CC1-060) were prepared, dipped in a Teflon dispersion diluted to 5%, dried, and further The temperature was raised to 340 ° C. in an argon stream to produce a gas diffusion fiber layer. Further, 99 g of ethanol was added to 1 g of each of the carbon blacks A to I, and the carbon black was pulverized with a ball mill to prepare a primary dispersion.

その後、一次分散液を攪拌しながら、30%テフロン分散液0.833gを少しずつ滴下し、マイクロポア層スラリーを作製した。このスラリーを先に作製したガス拡散繊維層の片面にスプレーを用いて塗布し、アルゴン気流中で80℃で乾燥した後に、340℃に昇温して、ガス拡散繊維層とマイクロポア層が積層したガス拡散層を作製した。   Thereafter, while stirring the primary dispersion, 0.833 g of 30% Teflon dispersion was dropped little by little to prepare a micropore layer slurry. This slurry is applied to one side of the previously produced gas diffusion fiber layer using a spray, dried at 80 ° C. in an argon stream, heated to 340 ° C., and the gas diffusion fiber layer and the micropore layer are laminated. A gas diffusion layer was prepared.

比較として、マイクロポア層を塗布しないカーボンペーパーとカーボンクロスのガス拡散層2種も用意した。表2に、作製した計20種のガス拡散層の種類を、使用した材料と共に、まとめた。   As a comparison, two types of gas diffusion layers of carbon paper and carbon cloth without a micropore layer were also prepared. Table 2 summarizes the types of gas diffusion layers produced in total, together with the materials used.

Figure 0004520815
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(実施例1)
市販の白金触媒(ElectroChem社製EC−20−PTC、白金担時率20wt%)を容器に取り、アルゴン気流中で、5%ナフィオン溶液(アルドリッチ製)を白金触媒の質量に対してナフィオン固形分の質量が0.5倍になるように加え、軽く撹拌後、超音波で触媒を粉砕し、Pt触媒とナフィオンを合わせた固形分濃度が6質量%となるように撹拌しながら、エタノールを加えて、触媒層インクを調製した。
Example 1
A commercially available platinum catalyst (EC-20-PTC manufactured by ElectroChem, platinum loading rate: 20 wt%) is placed in a container, and 5% Nafion solution (manufactured by Aldrich) is added to the mass of the platinum catalyst in an argon stream. After adding lightly, the catalyst is pulverized with ultrasound, and ethanol is added while stirring so that the solid content concentration of Pt catalyst and Nafion is 6% by mass. Thus, a catalyst layer ink was prepared.

この触媒層インクを表2に示したガス拡散層20種のマイクロポア層側の表面にスプレーで塗布し、80℃のアルゴン気流中で1時間乾燥し、ガス拡散電極20種を得た。なお、それぞれの電極は、白金使用量が0.10mg/cm2となるようにスプレー等の条件を設定した。白金使用量は、スプレー塗布前後の電極の乾燥質量を測定し、その差から計算して求めた。 This catalyst layer ink was applied to the surface of the 20 types of gas diffusion layers shown in Table 2 on the micropore layer side by spraying and dried in an argon stream at 80 ° C. for 1 hour to obtain 20 types of gas diffusion electrodes. In addition, conditions, such as spraying, were set so that the amount of platinum used might be 0.10 mg / cm < 2 > for each electrode. The amount of platinum used was determined by measuring the dry mass of the electrode before and after spray coating and calculating the difference.

さらに、得られたガス拡散電極から2.5cm角の大きさで2枚ずつ切り取り、同じ種類の電極2枚で電解質膜(ナフィオン112)を挟み、130℃、総加重0.625tで3分間ホットプレスを行い、MEA20種を作製した。   Further, two pieces of 2.5 cm square are cut from the obtained gas diffusion electrode, and the electrolyte membrane (Nafion 112) is sandwiched between two electrodes of the same type, and hot for 3 minutes at 130 ° C. and a total weight of 0.625 t. Press was performed to produce 20 types of MEA.

得られたMEA20種は、それぞれ燃料電池測定装置に組み込み、電池性能測定を行った。電池性能測定は、セル端子間電圧を開放電圧(通常0.9〜1.0V程度)から0.2Vまで段階的に変化させ、セル端子間電圧が0.8Vと0.5Vのときに流れる電流密度をそれぞれ測定した。   The obtained 20 types of MEA were each incorporated in a fuel cell measurement device, and the cell performance was measured. In battery performance measurement, the voltage between the cell terminals is changed stepwise from the open voltage (usually about 0.9 to 1.0 V) to 0.2 V, and flows when the voltage between the cell terminals is 0.8 V and 0.5 V. Each current density was measured.

ガスは、カソードに空気、アノードに純水素を、電流密度が1A/cm2のときに利用率がそれぞれ30%と50%となるように、一定流速で供給し、それぞれのガス圧は、セル下流に設けられた背圧弁で0.1MPaに圧力調整した。セル温度は80℃に設定し、供給する空気と純水素は、それぞれ80℃と90℃に保温された蒸留水中でバブリングを行い、加湿した。 The gas is supplied at a constant flow rate so that the utilization rate is 30% and 50%, respectively, when the current density is 1 A / cm 2 , and air is supplied to the cathode and pure hydrogen to the anode. The pressure was adjusted to 0.1 MPa with a back pressure valve provided downstream. The cell temperature was set to 80 ° C., and the supplied air and pure hydrogen were bubbled in distilled water kept at 80 ° C. and 90 ° C., respectively, and humidified.

表3に、得られたMEA20種と電池性能結果を示した。表3に示したとおり、本発明のガス拡散層を使用したMEA1〜6、9〜15、18は、同じ触媒層を用いたにもかかわらず、比較例のMEA7、8、16、17、19、20と比べて、同じセル電圧の時の電流密度が高く、良好な性能を発揮した。   Table 3 shows the obtained MEA 20 types and battery performance results. As shown in Table 3, the MEAs 1 to 6, 9 to 15 and 18 using the gas diffusion layers of the present invention had the same catalyst layer, but the MEAs of Comparative Examples 7, 8, 16, 17, and 19 were used. , 20, the current density at the same cell voltage was high, and good performance was exhibited.

特に、表1のX/Yの値が1以上のカーボンブラックをマイクロポア層に使用したMEA1〜5及び10〜14は、セル電圧0.8Vの時も0.5Vの時も電流密度が大きく優れた特性を示した。   In particular, MEAs 1 to 5 and 10 to 14 using carbon black having an X / Y value of 1 or more in Table 1 for the micropore layer have a large current density when the cell voltage is 0.8V and 0.5V. Excellent properties were shown.

Figure 0004520815
Figure 0004520815

(実施例2)
市販の白金触媒(ElectroChem社製EC−20−PTC 白金担時率20wt%)を容器に取り、アルゴン気流中で、5%ナフィオン溶液(アルドリッチ製)を白金触媒の質量に対してナフィオン固形分の質量が2倍になるように加え、軽く撹拌後、超音波で触媒を粉砕し、Pt触媒とナフィオンを合わせた固形分濃度が、6質量%となるように撹拌しながら、酢酸ブチルを加え、触媒スラリーを作製した。
(Example 2)
A commercially available platinum catalyst (EC-20-PTC manufactured by ElectroChem, with a platinum loading rate of 20 wt%) is placed in a container, and a 5% Nafion solution (manufactured by Aldrich) is added to the mass of the platinum catalyst in an argon stream. Add the mass so that it doubles, lightly stir, pulverize the catalyst with ultrasonic waves, add butyl acetate while stirring so that the solid content concentration of Pt catalyst and Nafion is 6% by mass, A catalyst slurry was prepared.

別容器に、表1で示したカーボンブラックB、D、E、Gの4種をそれぞれ取り、カーボンブラックが6質量%になるように酢酸ブチルを加えて、超音波でカーボンブラックを粉砕し、カーボンブラックスラリー4種を作製した。先に作製した触媒スラリーと、カーボンブラックスラリーを質量比8:2で混合して、十分攪拌し、触媒層スラリー4種を作製した。   In a separate container, each of the four types of carbon black B, D, E, and G shown in Table 1 is taken, butyl acetate is added so that the carbon black is 6% by mass, and the carbon black is pulverized with ultrasonic waves. Four types of carbon black slurry were prepared. The previously prepared catalyst slurry and the carbon black slurry were mixed at a mass ratio of 8: 2 and sufficiently stirred to prepare 4 types of catalyst layer slurries.

この触媒層スラリー4種を、それぞれ表2に示したガス拡散層CC−Dのマイクロポア層側の表面にスプレーで塗布し、80℃のアルゴン気流中で1時間乾燥し、ガス拡散炭素材料としてカーボンブラックB、D、E、Gを触媒層に含有したガス拡散電極4種を得た。なお、それぞれの電極は白金使用量が0.10mg/cm2となるようにスプレー等の条件を設定した。 Each of the four catalyst layer slurries was sprayed onto the surface of the gas diffusion layer CC-D shown in Table 2 on the micropore layer side, and dried in an argon stream at 80 ° C. for 1 hour to obtain a gas diffusion carbon material. Four types of gas diffusion electrodes containing carbon black B, D, E, and G in the catalyst layer were obtained. In addition, conditions, such as a spray, were set so that each electrode might use platinum usage amount to 0.10 mg / cm < 2 >.

さらに、得られたガス拡散電極は、実施例1と同様の条件でホットプレスを行い、MEA4種を作製した。   Further, the obtained gas diffusion electrode was hot-pressed under the same conditions as in Example 1 to produce 4 types of MEA.

得られたMEA4種は、実施例1と同じ条件で電池性能測定を行った。   The obtained MEA 4 types were subjected to battery performance measurement under the same conditions as in Example 1.

表4に、得られたMEA4種と電池性能結果を示した。表4に示したとおり、本発明のMEA21〜24は、触媒層にガス拡散炭素材料を含まないMEA13と比較して、いずれも優れた特性を示した。   Table 4 shows the obtained MEA 4 types and battery performance results. As shown in Table 4, the MEAs 21 to 24 of the present invention all showed excellent characteristics as compared with the MEA 13 that does not contain a gas diffusion carbon material in the catalyst layer.

特に、25℃、相対湿度90%の水蒸気吸着量が100mL/g以下のカーボンブラックをガス拡散炭素材料として触媒層に含有する本発明のMEA21〜23は、同じガス拡散層を用いているにもかかわらず、25℃、相対湿度90%の水蒸気吸着量が100mL/g超のカーボンブラックをガス拡散炭素材料として触媒層に含有するMEA22と比べて、同じセル電圧の時の電流密度が高く、良好な性能を発揮した。   In particular, the MEA 21 to 23 of the present invention containing carbon black having a water vapor adsorption amount of 100 mL / g or less at 25 ° C. and a relative humidity of 90% as a gas diffusion carbon material in the catalyst layer also uses the same gas diffusion layer. Regardless, the current density at the same cell voltage is high and good compared to MEA22 which contains carbon black having a water vapor adsorption amount of more than 100 mL / g at 25 ° C. and 90% relative humidity as a gas diffusion carbon material. Performance was demonstrated.

その中でも、ガス拡散炭素材料の25℃、相対湿度90%の水蒸気吸着量が50mL/g以下のガス拡散炭素材料を触媒層に含有するMEA21、22は、特に高電流放電時に優れた性能を発揮した。   Among them, MEA 21 and 22 containing a gas diffusion carbon material having a gas diffusion carbon material with a water vapor adsorption amount of 50 mL / g or less at 25 ° C. and a relative humidity of 90% of the gas diffusion carbon material exhibit particularly excellent performance during high current discharge. did.

Figure 0004520815
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(実施例3)
塩化白金酸水溶液中に、触媒担体炭素材料として、表1のカーボンブラックB、D、E、Gをそれぞれ分散し、50℃に保温し、撹拌しながら、過酸化水素水を加え、次いで、Na224水溶液を添加して、触媒前駆体を得た。この触媒前駆体を濾過、水洗、乾燥した後に100%H2気流中、300℃で3時間、還元処理を行い、触媒担体炭素材料にPtが20質量%担持されたPt触媒4種を調製した。
(Example 3)
Carbon blacks B, D, E, and G of Table 1 were dispersed as catalyst support carbon materials in an aqueous chloroplatinic acid solution, respectively, kept at 50 ° C., added with hydrogen peroxide while stirring, and then Na. 2 S 2 O 4 aqueous solution was added to obtain a catalyst precursor. The catalyst precursor was filtered, washed with water and dried, and then subjected to a reduction treatment in a 100% H 2 stream at 300 ° C. for 3 hours to prepare 4 types of Pt catalysts in which 20% by mass of Pt was supported on the catalyst support carbon material. .

これら4種を容器に取り、アルゴン気流中で、5%ナフィオン溶液(アルドリッチ製)を白金触媒の質量に対してナフィオン固形分の質量が2倍になるように加え、軽く撹拌後、超音波で触媒を粉砕し、Pt触媒とナフィオンを合わせた固形分濃度が6質量%となるように、撹拌しながら酢酸ブチルを加え、触媒スラリー4種を作製した。   Take these 4 types in a container, add a 5% Nafion solution (manufactured by Aldrich) in an argon stream so that the mass of Nafion solids is 2 times the mass of the platinum catalyst, and after gently stirring, The catalyst was pulverized, and butyl acetate was added with stirring so that the solid content concentration of the Pt catalyst and Nafion was 6% by mass to prepare 4 types of catalyst slurry.

別容器に、表1で示したカーボンブラックDを取り、カーボンブラックが6質量%になるように酢酸ブチルを加えて、超音波でカーボンブラックを粉砕し、カーボンブラックスラリーを作製した。先に作製したそれぞれの触媒スラリー4種と、カーボンブラックスラリーとを質量比8:2で混合して、十分攪拌し、触媒層スラリー4種を作製した。   In a separate container, the carbon black D shown in Table 1 was taken, butyl acetate was added so that the carbon black was 6% by mass, and the carbon black was pulverized with ultrasonic waves to prepare a carbon black slurry. Each of the four types of catalyst slurry prepared earlier and the carbon black slurry were mixed at a mass ratio of 8: 2, and sufficiently stirred to prepare four types of catalyst layer slurry.

この触媒層スラリー4種をそれぞれ表2に示したガス拡散層CC−Dのマイクロポア層側の表面にスプレーで塗布し、80℃のアルゴン気流中で1時間乾燥し、触媒担持炭素材料としてカーボンブラックB、D、E、Gを、ガス拡散炭素材料としてカーボンブラックDを触媒層に含有した本発明のガス拡散電極4種を得た。   Each of the four catalyst layer slurries was spray-coated on the surface of the gas diffusion layer CC-D shown in Table 2 on the micropore layer side and dried in an argon stream at 80 ° C. for 1 hour to obtain carbon as a catalyst-supporting carbon material. Four types of gas diffusion electrodes of the present invention containing black B, D, E, G as a gas diffusion carbon material and carbon black D in the catalyst layer were obtained.

さらに、比較として、マイクロポア層を塗布していないカーボンクロスとカーボンペーパーをガス拡散層として、触媒担持炭素材料としてカーボンブラックG、ガス拡散炭素材料としてカーボンブラックDを触媒層に含有したガス拡散電極2種も比較例として得た。なお、それぞれの電極は、白金使用量が0.10mg/cm2となるようにスプレー等の条件を設定した。 Further, as a comparison, a gas diffusion electrode containing carbon cloth and carbon paper not coated with a micropore layer as a gas diffusion layer, carbon black G as a catalyst-carrying carbon material, and carbon black D as a gas diffusion carbon material in the catalyst layer Two types were also obtained as comparative examples. In addition, conditions, such as spraying, were set so that the amount of platinum used might be 0.10 mg / cm < 2 > for each electrode.

さらに、得られたガス拡散電極は、実施例1と同様の条件で、ホットプレスを行い、MEA6種を作製した。   Further, the obtained gas diffusion electrode was hot pressed under the same conditions as in Example 1 to produce MEA 6 species.

得られたMEA6種は、実施例1と同じ条件で電池性能測定を行った。   The obtained 6 MEAs were subjected to battery performance measurement under the same conditions as in Example 1.

表5に、得られたMEA6種と電池性能結果を示した。表5に示したとおり、本発明のMEA25〜28の特性は、比較例のMEA29、30と比較して、優れた特性を発揮した。その中でも、25℃、相対湿度90%の水蒸気吸着量が50mL/g以上のカーボンブラックを触媒担時炭素材料、100mL/g以下のカーボンブラックをガス拡散炭素材料として触媒層に含有したMEA27、28は、0.8Vの特性が優れている。   Table 5 shows the obtained MEA types and battery performance results. As shown in Table 5, the characteristics of the MEA 25 to 28 of the present invention exhibited superior characteristics as compared with the MEAs 29 and 30 of the comparative examples. Among them, MEA 27, 28 containing carbon black having a water vapor adsorption amount of 50 mL / g or more at 25 ° C. and a relative humidity of 90% as a catalyst carbon material and carbon black of 100 mL / g or less as a gas diffusion carbon material in the catalyst layer. Has excellent characteristics of 0.8V.

特に、25℃、相対湿度90%の水蒸気吸着量が100mL/g以上の触媒担時炭素材料を触媒層に含有するMEA28は、極めて優れた性能を発揮した。   In particular, MEA 28 containing a catalyst-supporting carbon material having a water vapor adsorption amount of 100 mL / g or more at 25 ° C. and 90% relative humidity in the catalyst layer exhibited extremely excellent performance.

Figure 0004520815
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前述したように、本発明によれば、より効率的な電池性能を発現する燃料電池を提供することができる。したがって、本発明は、産業上の利用可能性が大きいものである。   As described above, according to the present invention, a fuel cell that exhibits more efficient battery performance can be provided. Therefore, the present invention has great industrial applicability.

Claims (6)

繊維状炭素材料を用いたガス拡散繊維層の片面にカーボンブラックを用いたマイクロポア層を有する2層構造の燃料電池用ガス拡散層であって、該マイクロポア層のカーボンブラックの25℃、相対湿度90%における水蒸気吸着量が、100mL/g以下である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 having a two-layer structure having a micropore layer using carbon black on one side of a gas diffusion fiber layer using a fibrous carbon material, wherein the carbon black of the micropore layer has a relative temperature of 25 ° C. A gas diffusion layer for a fuel cell, wherein a water vapor adsorption amount at a humidity of 90% is 100 mL / g or less. 前記マイクロポア層に用いられるカーボンブラックのDBP吸油量X(mL/100g)と窒素吸着比表面積Y(m2/g)の比X/Yが、1以上であることを特徴とする請求項1に記載の燃料電池用ガス拡散層。 The ratio X / Y of DBP oil absorption X (mL / 100 g) and nitrogen adsorption specific surface area Y (m 2 / g) of carbon black used for the micropore layer is 1 or more. A gas diffusion layer for a fuel cell according to 1. 触媒成分と、炭素材料と、電解質材料とを用いた触媒層が、請求項1又は2に記載の燃料電池用ガス拡散層の前記マイクロポア層に接して配置されていることを特徴とする3層構造の燃料電池用ガス拡散電極。 A catalyst layer using a catalyst component, a carbon material, and an electrolyte material is disposed in contact with the micropore layer of the gas diffusion layer for a fuel cell according to claim 1 or 2. Gas diffusion electrode for fuel cell with layer structure. 前記触媒層の炭素材料が、触媒成分を担持した触媒担体炭素材料と触媒成分を担持していないガス拡散炭素材料からなり、該ガス拡散炭素材料の25℃、相対湿度90%における水蒸気吸着量が、100mL/g以下であることを特徴とする請求項3に記載の燃料電池用ガス拡散電極。   The carbon material of the catalyst layer is composed of a catalyst carrier carbon material carrying a catalyst component and a gas diffusion carbon material not carrying a catalyst component. The gas diffusion carbon material has a water vapor adsorption amount at 25 ° C. and a relative humidity of 90%. The gas diffusion electrode for a fuel cell according to claim 3, wherein the gas diffusion electrode is 100 mL / g or less. プロトン伝導性電解質膜を挟んだ一対の電極を含む燃料電池であって、少なくとも一方の電極が、請求項3又は4に記載の燃料電池用ガス拡散電極であることを特徴とする燃料電池。   5. A fuel cell comprising a pair of electrodes sandwiching a proton conductive electrolyte membrane, wherein at least one of the electrodes is the gas diffusion electrode for a fuel cell according to claim 3 or 4. プロトン伝導性電解質膜を挟んだ一対の電極を含む燃料電池であって、少なくとも一方の電極内に、請求項1又は2に記載の燃料電池用ガス拡散層を含有することを特徴とする燃料電池。   A fuel cell comprising a pair of electrodes sandwiching a proton conductive electrolyte membrane, wherein the fuel cell gas diffusion layer according to claim 1 or 2 is contained in at least one of the electrodes. .
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