JP2008300195A - Manufacturing method of diffusion layer for fuel cell, and manufacturing method of fuel cell - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料電池用拡散層の製造方法及び燃料電池の製造方法の技術に関する。 The present invention relates to a method for manufacturing a diffusion layer for a fuel cell and a technique for a method for manufacturing a fuel cell.
一般的に燃料電池は、電解質膜と電解質膜を介して配置される一対の触媒層(アノード極触媒層及びカソード極触媒層)とを含む膜−電極アッセンブリと、膜−電極アッセンブリを挟持する一対の燃料電池用拡散層(アノード極拡散層、カソード極拡散層)と、燃料電池用拡散層の両外側を挟持する一対の燃料電池用セパレータとを有する。燃料電池の発電時には、アノード極触媒層に供給するアノードガスを水素ガス、カソード極触媒層に供給するカソードガスを酸素ガスとした場合、アノード極触媒層では、水素イオンと電子とにする反応が行われ、水素イオンは電解質膜中を通りカソード極触媒層に、電子は外部回路を通じてカソード極触媒層に到達する。そして、カソード極触媒層では、水素イオン、電子及び酸素ガスが反応して水分を生成する反応が行われ、エネルギを放出する。 Generally, a fuel cell includes a membrane-electrode assembly including an electrolyte membrane and a pair of catalyst layers (an anode electrode catalyst layer and a cathode electrode catalyst layer) disposed via the electrolyte membrane, and a pair sandwiching the membrane-electrode assembly. The fuel cell diffusion layer (anode electrode diffusion layer, cathode electrode diffusion layer) and a pair of fuel cell separators sandwiching both outer sides of the fuel cell diffusion layer. During power generation of the fuel cell, when the anode gas supplied to the anode electrode catalyst layer is hydrogen gas and the cathode gas supplied to the cathode electrode catalyst layer is oxygen gas, the anode electrode catalyst layer undergoes a reaction to convert hydrogen ions and electrons. The hydrogen ions pass through the electrolyte membrane to the cathode electrode catalyst layer, and the electrons reach the cathode electrode catalyst layer through an external circuit. In the cathode electrode catalyst layer, a reaction in which hydrogen ions, electrons, and oxygen gas react to generate moisture is performed, and energy is released.
燃料電池では、電解質膜のイオン伝導性を維持するために、電解質膜に水分を含ませておく必要があり、反応ガス(アノードガス、カソードガス)は予め水分を含んだ状態で触媒層(アノード極触媒層、カソード極触媒層)に供給される。また、発電時には、上述したようにカソード極触媒層から水分が生成される。 In the fuel cell, in order to maintain the ionic conductivity of the electrolyte membrane, it is necessary to contain moisture in the electrolyte membrane, and the reaction gas (anode gas, cathode gas) is preliminarily contained in the catalyst layer (anode gas). Electrode catalyst layer, cathode electrode catalyst layer). Further, at the time of power generation, moisture is generated from the cathode electrode catalyst layer as described above.
触媒層に供給される水分及びカソード極触媒層から生成される水分のうちの一部は、燃料電池の系外へ排水されるが、上記水分のうちの一部は、触媒層及び燃料電池用拡散層に滞留する。触媒層及び燃料電池用拡散層に滞留する水分の量が多くなると、触媒層への反応ガスの供給が妨げられ、燃料電池の発電性能の低下が引き起こされる(この現象は、一般にフラッディングと呼ばれる)。そこで、触媒層又は燃料電池用拡散層の排水性を高め、触媒層又は燃料電池用拡散層内の水分の滞留を防ぎ、フラッディングの発生を抑制する必要がある。 A part of the water supplied to the catalyst layer and the water generated from the cathode electrode catalyst layer is drained out of the fuel cell system, but a part of the water is used for the catalyst layer and the fuel cell. It stays in the diffusion layer. When the amount of moisture staying in the catalyst layer and the fuel cell diffusion layer is increased, the supply of the reaction gas to the catalyst layer is hindered and the power generation performance of the fuel cell is deteriorated (this phenomenon is generally called flooding). . Therefore, it is necessary to improve the drainage of the catalyst layer or the fuel cell diffusion layer, to prevent the retention of moisture in the catalyst layer or the fuel cell diffusion layer, and to suppress the occurrence of flooding.
燃料電池用拡散層は、反応ガスを触媒層に供給するため、触媒層で生成した水分を燃料電池用セパレータに排水するために多孔質基材が用いられている。 In the fuel cell diffusion layer, a porous substrate is used to drain the water generated in the catalyst layer to the fuel cell separator in order to supply the reaction gas to the catalyst layer.
例えば、特許文献1〜4には、燃料電池用拡散層に使用される多孔質基材にポリテトラフルオロエチレン等の撥水性樹脂を塗布し、撥水性樹脂を塗布した多孔質基材を乾燥させることにより、撥水性を付与した燃料電池用拡散層の製造方法が提案されている。
For example, in
しかし、特許文献1〜4の燃料電池用拡散層の製造方法では、多孔質基材内の撥水性樹脂の濃度分布が制御されていないため、高い排水性を有する燃料電池用拡散層を製造することは困難である。
However, in the manufacturing method of the diffusion layer for fuel cells of
本発明は、排水性の高い燃料電池用拡散層の製造方法及び燃料電池の製造方法を提供することにある。 An object of the present invention is to provide a method for manufacturing a diffusion layer for a fuel cell and a method for manufacturing a fuel cell having high drainage.
本発明の燃料電池用拡散層の製造方法は、多孔質基材に撥水剤を塗布する塗布工程と、前記撥水剤を塗布した多孔質基材を乾燥する乾燥工程とを含み、前記乾燥工程において、前記多孔質基材の一方の面と他方の面とで異なる乾燥条件を設定し、前記多孔質基材内の撥水剤の濃度分布を制御する。 The method for producing a diffusion layer for a fuel cell of the present invention includes a coating step of coating a porous substrate with a water repellent, and a drying step of drying the porous substrate coated with the water repellent. In the step, different drying conditions are set for one surface and the other surface of the porous substrate to control the concentration distribution of the water repellent in the porous substrate.
また、前記燃料電池用拡散層の製造方法において、前記多孔質基材内の撥水剤の濃度分布は、前記多孔質基材の一方の面から他方の面に向かって高くなるように制御されることが好ましい。 In the method for producing a diffusion layer for a fuel cell, the concentration distribution of the water repellent in the porous substrate is controlled so as to increase from one surface to the other surface of the porous substrate. It is preferable.
また、前記燃料電池用拡散層の製造方法において、前記多孔質基材の乾燥温度、前記多孔質基材に供給する風量、前記多孔質基材を乾燥する熱源と前記多孔質基材との距離のうち少なくともいずれか1つの乾燥条件が異なることが好ましい。 Further, in the method for producing a diffusion layer for a fuel cell, the drying temperature of the porous substrate, the air volume supplied to the porous substrate, the distance between the heat source for drying the porous substrate and the porous substrate It is preferable that at least any one of the drying conditions is different.
また本発明は、多孔質基材に撥水剤を塗布する塗布工程及び前記撥水剤を塗布した多孔質基材を乾燥する乾燥工程を有する燃料電池用拡散層の製造工程と、膜−電極アッセンブリの両側に前記燃料電池用拡散層の製造工程において製造された燃料電池用拡散層を配置し、前記燃料電池用拡散層の両外側に燃料電池用セパレータを配置する配置工程とを含む燃料電池の製造方法であって、前記乾燥工程において、前記多孔質基材の一方の面と他方の面とで異なる乾燥条件を設定し、前記多孔質基材内の撥水剤の濃度分布を制御する。 The present invention also provides a process for producing a diffusion layer for a fuel cell comprising a coating step of applying a water repellent to a porous substrate, and a drying step of drying the porous substrate coated with the water repellent, and a membrane-electrode A fuel cell comprising: a fuel cell diffusion layer manufactured in the fuel cell diffusion layer manufacturing process on both sides of the assembly; and a fuel cell separator disposed on both outer sides of the fuel cell diffusion layer. In the drying step, different drying conditions are set on one surface and the other surface of the porous substrate to control the concentration distribution of the water repellent in the porous substrate. .
また、前記燃料電池の製造方法において、前記多孔質基材内の撥水剤の濃度分布は、前記多孔質基材の膜−電極アッセンブリ側から燃料電池用セパレータ側に向かって高くなるように制御されることが好ましい。 Further, in the fuel cell manufacturing method, the concentration distribution of the water repellent in the porous substrate is controlled to increase from the membrane-electrode assembly side of the porous substrate toward the fuel cell separator side. It is preferred that
また、前記燃料電池の製造方法において、前記多孔質基材の乾燥温度、前記多孔質基材に供給する風量、前記多孔質基材を乾燥する熱源と前記多孔質基材との距離のうち少なくともいずれか1つの乾燥条件が異なることが好ましい。 In the fuel cell manufacturing method, at least one of a drying temperature of the porous substrate, an air volume supplied to the porous substrate, and a distance between a heat source for drying the porous substrate and the porous substrate. It is preferable that any one of the drying conditions is different.
本発明によれば、多孔質基材に撥水剤を塗布する塗布工程と、撥水剤を塗布した多孔質基材を乾燥する乾燥工程とを含み、乾燥工程において、多孔質基材の一方の面と他方の面とで異なる乾燥条件を設定し、多孔質基材内の撥水剤の濃度分布を制御することによって、排水性の高い燃料電池用拡散層の製造方法を提供することができる。 According to the present invention, the method includes an application step of applying a water repellent to the porous substrate, and a drying step of drying the porous substrate coated with the water repellent. By providing different drying conditions on one surface and the other surface and controlling the concentration distribution of the water repellent in the porous substrate, a method for producing a highly drainable fuel cell diffusion layer can be provided. it can.
また、本発明によれば、多孔質基材に撥水剤を塗布する塗布工程及び撥水剤を塗布した多孔質基材を乾燥する乾燥工程を有する燃料電池用拡散層の製造工程と、膜−電極アッセンブリの両側に燃料電池用拡散層の製造工程において製造された燃料電池用拡散層を配置し、燃料電池用拡散層の両外側に燃料電池用セパレータを配置する配置工程とを含む燃料電池の製造方法であって、乾燥工程において、多孔質基材の一方の面と他方の面とで異なる乾燥条件を設定し、多孔質基材内の撥水剤の濃度分布を制御することによって、排水性の高い燃料電池の製造方法を提供することができる。 In addition, according to the present invention, a manufacturing process of a diffusion layer for a fuel cell having a coating step of applying a water repellent to a porous substrate and a drying step of drying the porous substrate coated with the water repellent, and a membrane A fuel cell comprising: a fuel cell diffusion layer manufactured in the fuel cell diffusion layer manufacturing process on both sides of the electrode assembly; and a fuel cell separator disposed on both outer sides of the fuel cell diffusion layer. In the drying process, by setting different drying conditions on one side and the other side of the porous substrate, and controlling the concentration distribution of the water repellent in the porous substrate, A method for producing a highly drainable fuel cell can be provided.
本発明の実施の形態について以下説明する。 Embodiments of the present invention will be described below.
図1は、本発明の実施形態に係る燃料電池用拡散層の製造方法の一例を説明するための図である。図1に示すように、本発明の実施形態に係る燃料電池用拡散層1の製造方法は、多孔質基材10に撥水剤を塗布する塗布工程と、撥水剤を塗布した多孔質基材10を乾燥する乾燥工程とを有するものである。
FIG. 1 is a diagram for explaining an example of a method for manufacturing a diffusion layer for a fuel cell according to an embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1, the manufacturing method of the fuel
<塗布工程>
塗布工程では、多孔質基材10に撥水剤が塗布される。撥水剤は、撥水性を有する液体であれば特に制限されるものではないが、例えば、カーボン粒子及びフッ素樹脂を、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、エタノール等の有機溶媒等の溶媒中に分散することにより調製される。撥水剤は、撥水性樹脂が含有されていればよいが、本実施形態の製造方法により得られる燃料電池用拡散層1の電子伝導性を維持することができる点で、カーボン粒子等が含有されていることが好ましい。
<Application process>
In the application step, a water repellent is applied to the
撥水性樹脂は、燃料電池用拡散層1において一般的に用いられるものであれば特に制限されるものではないが、撥水性、耐腐食性等を有するフッ素樹脂が好ましい。フッ素樹脂は、例えば、ポリテトラフルオロエチレン、ポリフッ化ビニリデン、ポリヘキサフルオロプロピレン、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体等が挙げられる。
The water-repellent resin is not particularly limited as long as it is generally used in the
カーボン粒子等は、燃料電池用拡散層1において一般的に用いられるものであれば特に制限されるものではない。カーボン粒子は、例えば、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、サーマルブラック等のカーボンブラック、黒鉛、カーボンナノチューブ等が挙げられる。また、カーボン粒子に限られるものではなく、カーボン繊維等であってもよい。
The carbon particles and the like are not particularly limited as long as they are generally used in the fuel
撥水性樹脂の含有量は、特に制限されるものではないが、カーボン粒子等の重量に対して5〜40重量%の範囲であることが好ましい。 The content of the water repellent resin is not particularly limited, but is preferably in the range of 5 to 40% by weight with respect to the weight of the carbon particles and the like.
また、本実施形態に用いられる撥水剤には、界面活性剤等が含まれていてもよい。界面活性剤は、例えば、アルキルエーテル、アルキルフェニルエーテル、ポリオキシエチレンアルキルエーテル等の非イオン性界面活性剤等が挙げられる。 Further, the water repellent used in this embodiment may contain a surfactant or the like. Examples of the surfactant include nonionic surfactants such as alkyl ether, alkylphenyl ether, and polyoxyethylene alkyl ether.
多孔質基材10は、燃料電池用拡散層1において一般的に用いられるものであれば特に制限されるものではないが、燃料電池に供給される反応ガス(アノードガス、カソードガス)の透過性、導電性等の点で、カーボンペーパ等のカーボン不織布、カーボンクロス等のカーボン織布等が好ましい。
The
多孔質基材10に撥水剤を塗布する方法は、フローコーティング法、スプレー法、スクリーン印刷法、ドクターブレード法等公知の方法が挙げられる。また、塗布回数、塗布速度等は適宜設定すればよい。
Examples of the method for applying the water repellent to the
<乾燥工程>
乾燥工程では、上記撥水剤を塗布した多孔質基材10の一方の面(図1に示すA面)と他方の面(図1に示すB面)とで異なる乾燥条件を設定し、多孔質基材10内の撥水剤の濃度分布を制御して、撥水剤を塗布した多孔質基材10を乾燥させる。
<Drying process>
In the drying step, different drying conditions are set on one surface (surface A shown in FIG. 1) and the other surface (surface B shown in FIG. 1) of the
撥水剤を塗布した多孔質基材10の乾燥は、赤外線照射、電磁波照射、ドライエア、ヒータ等による乾燥等の公知の方法により行われる。
The
本実施形態では、多孔質基材10の一方の面(例えば、図1に示すA面)と他方の面(例えば、図1に示すB面)とで、後述する異なる乾燥条件を設定し乾燥させる。例えば、図1に示す多孔質基材10のA面とB面とで異なる乾燥温度を設定することによって、多孔質基材10のA面とB面との乾燥状態を異ならせることができる。多孔質基材10のA面とB面とで乾燥状態が異なると、乾燥状態の遅い方から乾燥状態の早い方に向かって、撥水剤(主に撥水性樹脂)がマイグレーションするため、撥水剤の濃度分布が生じる。すなわち、多孔質基材10のA面とB面とで異なる乾燥条件を設定することにより、多孔質基材10のA面とB面との乾燥状態を異ならせ、多孔質基材10内の撥水剤の濃度分布(主に撥水性樹脂の濃度分布)を制御することができる。
In the present embodiment, drying is performed by setting different drying conditions to be described later on one surface (for example, the A surface shown in FIG. 1) and the other surface (for example, the B surface shown in FIG. 1) of the
本実施形態では、多孔質基材10の一方の面から他方の面に向かって撥水剤の濃度(主に撥水性樹脂)が高くなるように、多孔質基材10の一方の面と他方の面とで異なる乾燥条件を設定することが好ましい。例えば、図1に示す多孔質基材10のA面からB面に向かって撥水剤の濃度分布を高くすることによって、多孔質基材10のA面側にある水分の吸い上げ効果を向上させることができる。また、撥水剤濃度の高い多孔質基材10のB面では、接触角、転落角も高いため、多孔質基材10のB面付近で水分が滞留することを抑制することができる。
In the present embodiment, the one surface and the other surface of the
上記でも説明したように、本実施形態では異なる乾燥条件を設定し、多孔質基材10内の撥水剤の濃度分布を制御する。例えば、一方の面と他方の面とで異なる乾燥温度、昇温速度、供給する風量、多孔質基材10を乾燥させるための熱源と多孔質基材との距離等のうち少なくともいずれか1つの乾燥条件を設定し、多孔質基材10内の撥水剤の濃度分布を制御する。撥水剤の濃度分布の制御が容易である等の点で、異なる乾燥条件は、上記乾燥温度、風量、熱源と多孔質基材との距離であることが好ましい。
As described above, in this embodiment, different drying conditions are set to control the concentration distribution of the water repellent in the
上記乾燥条件のうち、多孔質基材10の一方の面と他方の面とで異なる乾燥温度は、一方の面と他方の面とで乾燥状態を異ならせることができる温度差に設定されるものであればよいが、撥水剤のマイグレーションが発生し易い等の点で、乾燥温度差が、常温〜230℃の範囲であることが好ましく、60〜230℃の範囲であることがより好ましい。上記でも説明したように、撥水剤のマイグレーションは、乾燥状態の遅い方から速い方に向かって起こる。したがって、異なる乾燥温度の場合における撥水剤のマイグレーションは、乾燥温度の低い面から高い面に向かって起こる。すなわち、乾燥温度の低い面から高い面に向かって撥水剤の濃度分布が高くなる。
Among the above drying conditions, the drying temperature that is different between one surface and the other surface of the
また、一方の面及び他方の面での乾燥温度の範囲(上限、下限)は、特に制限されるものではないが、撥水剤中の水、有機溶媒が蒸発する温度以上かつ撥水剤中の撥水性樹脂の溶融温度未満の範囲が好ましい。 Moreover, the range (upper limit, lower limit) of the drying temperature on one side and the other side is not particularly limited, but is higher than the temperature at which water in the water repellent, the organic solvent evaporates and in the water repellent. A range below the melting temperature of the water repellent resin is preferred.
また、上記乾燥条件のうち、多孔質基材10の一方の面と他方の面とで異なる昇温速度は、多孔質基材10の一方の面と他方の面とで乾燥状態を異ならせることができる昇温速度の差に設定されるものであればよい。撥水剤のマイグレーションは、昇温速度の遅い面から早い面に向かって起こる。
Further, among the above drying conditions, the heating rate that is different between one surface and the other surface of the
また、ドライエアを供給することにより多孔質基材10を乾燥させる場合等では、上記乾燥条件のうち、多孔質基材10の一方の面と他方の面とで異なる風量は、多孔質基材10の一方の面と他方の面とで乾燥状態を異ならせることができる風量差に設定されるものであればよい。撥水剤のマイグレーションは、風量の小さい方から大きいほうに向かって起こる。
Further, in the case of drying the
また、赤外線照射等により多孔質基材10を乾燥させる場合等では、上記乾燥条件のうち、図1に示す熱源12(多孔質基材10を乾燥させるために赤外線照射等をするもの)と多孔質基材10の一方の面との距離L1と、熱源12と多孔質基材10の他方の面との距離L2は、多孔質基材10の一方の面と他方の面とで乾燥状態を異ならせることができる差であればよい。なお、撥水剤のマイグレーションは、距離が長い方から短い方に向かって起こる。
In the case of drying the
上記乾燥工程後に、多孔質基材10を焼成等することによって、燃料電池用拡散層1が得られる。多孔質基材10の焼成は、必ずしも必要ではないが、多孔質基材10中に撥水剤を安定に保持させることができる点で好ましい。多孔質基材10への焼成温度は、特に制限されるものではないが、撥水剤中の撥水性樹脂の溶融温度以上かつ分解温度未満であることが好ましい。
After the drying step, the fuel
次に、撥水剤を有する多孔質基材を複数積層した場合の本実施形態に係る燃料電池用の燃料電池用拡散層の製造方法の一例について説明する。 Next, an example of a method for producing a fuel cell diffusion layer for a fuel cell according to this embodiment when a plurality of porous substrates having a water repellent agent are laminated will be described.
図2は、本発明の他の実施形態に係る燃料電池用拡散層の製造方法の一例を説明するための図である。まず、1層目の多孔質基材10aに、上記説明した塗布工程、乾燥工程を行う。乾燥工程において、多孔質基材10aのA面からB面に向かって撥水剤の濃度分布を高くする場合には、多孔質基材10aのA面の温度よりB面の温度を高くする(昇温速度、風量等であってもよい)。次に、2層目の多孔質基材10bを1層目の多孔質基材10aのA面に配置した後、上記説明した塗布工程、乾燥工程を行う。乾燥工程において、多孔質基材10a,10bを積層した多孔質基材10cのC面からD面(D面は、多孔質基材10aのB面)に向かって撥水剤の濃度分布を高くする場合には、多孔質基材10cのC面の温度よりD面の温度を高くする(昇温速度、風量等であってもよい)。なお、1層目の多孔質基材10aに加える温度及び多孔質基材10cに加える温度は、C面<A面<D面<B面の順で高くする。好ましくは、C面とD面との温度差が60℃以上である。
FIG. 2 is a diagram for explaining an example of a method for manufacturing a diffusion layer for a fuel cell according to another embodiment of the present invention. First, the coating process and the drying process described above are performed on the first
塗布工程、乾燥工程は、必ずしも上記に限定されるものではなく、例えば、1層目の多孔質基材10a、2層目の多孔質基材10bに撥水剤を塗布した(上記説明した塗布工程)後、1層目の多孔質基材10a、2層目の多孔質基材10bを積層して、積層した多孔質基材10cを乾燥させる(上記説明した乾燥工程)ものであってもよい。
The application step and the drying step are not necessarily limited to the above. For example, a water repellent agent is applied to the first
通常、撥水剤を有する多孔質基材を複数積層した燃料電池用拡散層では、積層される多孔質基材毎に、撥水性樹脂、カーボン粒子の含有量を変えた撥水剤を含有させることにより、層毎の撥水剤の濃度分布を制御するものである。本実施形態では、層毎の撥水剤の濃度分布を制御するだけでなく、各多孔質基材内の撥水剤の濃度分布を制御することができる。 Usually, in a fuel cell diffusion layer in which a plurality of porous base materials having a water repellent agent are laminated, a water repellent agent in which the water repellent resin and the carbon particle content are changed is included in each laminated porous base material. Thus, the concentration distribution of the water repellent agent for each layer is controlled. In this embodiment, not only the concentration distribution of the water repellent agent for each layer but also the concentration distribution of the water repellent agent in each porous substrate can be controlled.
以上のように、本実施形態に係る燃料電池用拡散層の製造方法では、撥水剤を塗布した多孔質基材を乾燥する乾燥工程において、多孔質基材の一方の面と他方の面とで異なる乾燥条件を設定し、多孔質基材内の撥水剤の濃度分布を制御することにより、排水性の高い燃料電池用拡散層を製造することができる。特に、多孔質基材の一方の面から他方の面に向かって撥水剤の濃度分布が高くなるように制御することによって、多孔質基材の一方の面から他方の面に向かって撥水性を高くすることができる。これによって、水分の吸い上げ効果を高くすることができ、また、多孔質基材内の水分の滞留を抑制することができる。 As described above, in the method for manufacturing a diffusion layer for a fuel cell according to the present embodiment, in the drying step of drying the porous substrate coated with the water repellent agent, one surface and the other surface of the porous substrate are By setting different drying conditions and controlling the concentration distribution of the water repellent in the porous substrate, a fuel cell diffusion layer with high drainage can be produced. In particular, by controlling so that the concentration distribution of the water repellent increases from one surface of the porous substrate toward the other surface, the water repellency from one surface of the porous substrate toward the other surface. Can be high. Thereby, the effect of sucking up moisture can be increased, and the retention of moisture in the porous substrate can be suppressed.
次に、本実施形態に係る燃料電池の製造方法について説明する。 Next, a method for manufacturing the fuel cell according to this embodiment will be described.
図3は、本実施形態に係る燃料電池の製造方法の一例を説明するための図である。図3に示すように、本実施形態に係る燃料電池2の製造方法は、上記説明した多孔質基材10に撥水剤を塗布する塗布工程及び前記撥水剤を塗布した多孔質基材10を乾燥する乾燥工程を有する燃料電池用拡散層の製造工程と、膜−電極アッセンブリ14の両側に上記燃料電池用拡散層の製造工程において製造された燃料電池用拡散層1を配置し、燃料電池用拡散層1の両外側に燃料電池用セパレータ16を配置する配置工程とを含むものである。
FIG. 3 is a diagram for explaining an example of a method for manufacturing a fuel cell according to the present embodiment. As shown in FIG. 3, the manufacturing method of the
<塗布工程>
塗布工程は、上記同様に多孔質基材10に撥水剤が塗布される。撥水剤の組成、塗布方法等は上記説明した通りである。
<Application process>
In the application step, a water repellent is applied to the
<乾燥工程>
乾燥工程では、上記同様に上記撥水剤を塗布した多孔質基材10の一方の面と他方の面とで異なる乾燥条件を設定し、多孔質基材10内の撥水剤の濃度分布を制御して、撥水剤を塗布した多孔質基材10を乾燥させる。
<Drying process>
In the drying step, different drying conditions are set for one surface and the other surface of the
燃料電池の発電時に生成する水分は、触媒層20から燃料電池用拡散層1を通り、燃料電池用セパレータ16へ排水される。したがって、燃料電池用拡散層1は、触媒層20内の水分を吸い上げて、吸い上げた水分を燃料電池用セパレータ16側付近の燃料電池用拡散層1内で滞留させることなく、燃料電池用セパレータ16へ排水させる必要がある。
Moisture generated during power generation of the fuel cell passes through the fuel
例えば、図3に示すように、多孔質基材10のA面に、触媒層20が配置され、多孔質基材10のB面に燃料電池用セパレータ16が配置される(後述する配置工程)場合、触媒層20側の多孔質基材10のA面から燃料電池用セパレータ16側の多孔質基材10のB面に向かって、撥水剤の濃度分布が高くなるように乾燥条件を設定することが好ましい。乾燥条件は上記説明した通りであるが、例えば、多孔質基材10のA面より多孔質基材10のB面の乾燥温度を高くする(例えば、A面よりB面の乾燥温度を60℃高くする)ことによって、多孔質基材10のA面から多孔質基材10のB面に向かって、撥水剤がマイグレーションし、撥水剤の濃度を高くすることができる。
For example, as shown in FIG. 3, the
触媒層20側の多孔質基材10の面から燃料電池用セパレータ16側の多孔質基材1の面に向かって、撥水剤の濃度を高くし、撥水性を向上させることによって、触媒層20内の水分の吸い上げ効果を高くすることができる。さらに、燃料電池用セパレータ16側の多孔質基材10の面は撥水性が高いため、接触角、転落角も高い。したがって、燃料電池用セパレータ16側付近の燃料電池用拡散層1内で水分が滞留することを抑制することができる。
By increasing the water repellent concentration and improving the water repellency from the surface of the
<配置工程>
配置工程では、膜−電極アッセンブリ14の両側に上記塗布工程、乾燥工程を有する燃料電池用拡散層の製造工程において製造された燃料電池用拡散層1を配置し、さらに燃料電池用拡散層1の両外側に燃料電池用セパレータ16を配置する。
<Arrangement process>
In the disposing step, the fuel
膜−電極アッセンブリ14は、電解質膜18と、電解質膜18を挟持する一対の触媒層20とを有する。
The membrane-
電解質膜18は、プロトン伝導性を有する膜であり、例えば、パーフルオロスルホン酸膜、エチレン−四フッ化エチレン共重合体樹脂膜、トリフルオロスチレンをベースポリマーとする樹脂膜などのフッ素系高分子電解質膜や、スルホン酸基を有する炭化水素系樹脂系膜等が挙げられる。
The
触媒層20には、アノード極側に配置されるアノード極触媒層と、カソード極側に配置されるカソード極触媒層とがある。触媒層20(アノード極触媒層、カソード極触媒層)は、例えば、白金、ルテニウム等の金属触媒を担持したカーボンと電解質等とを混合して、燃料電池用拡散層1又は電解質膜18上に成膜することにより形成される。本実施形態で使用される電解質としては、プロトン電導性を有するものであり、例えば、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、パーフルオロスルホン酸系ポリマー、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等が挙げられる。
The
燃料電池用拡散層1には、アノード極側に配置されるアノード極拡散層と、カソード極側に配置されるカソード極拡散層とがある。本実施形態において、上記説明した塗布工程、乾燥工程を有する燃料電池用拡散層の製造方法により得られる燃料電池用拡散層1は、アノード極拡散層又はカソード極拡散層のうち少なくともいずれか一方でよい。しかし、燃料電池の発電により生成する水分は、主にカソード極側であるため、少なくともカソード極拡散層は、本実施形態に掛かる燃料電池用拡散層の製造方法により得られたものであることが好ましく、また、燃料電池の排水性の点で、アノード極拡散層及びカソード極拡散層の両方とも、本実施形態に掛かる燃料電池用拡散層の製造方法により得られたものであることがより好ましい。
The fuel
燃料電池用セパレータ16には、アノード極側に配置されるアノード極セパレータと、カソード極側に配置されるカソード極セパレータとがある。燃料電池用セパレータ16(アノード極セパレータ、カソード極セパレータ)の空洞部は、反応ガスが流れる反応ガス流路22である。なお、アノード極セパレータの反応ガス流路には、アノードガスが流れ、カソード極セパレータの反応ガス流路には、カソードガスが流れる。燃料電池用セパレータ16は、例えば、ステンレス板等の金属系セパレータ、黒鉛板等のカーボン系セパレータ等が使用される。
The
以上のように、本実施形態に係る燃料電池の製造方法では、撥水剤を塗布した多孔質基材を乾燥する乾燥工程において、多孔質基材の一方の面と他方の面とで異なる乾燥条件を設定し、多孔質基材内の撥水剤の濃度分布を制御することにより、排水性の高い燃料電池を製造することができる。特に、多孔質基材の触媒層側の面から燃料電池用セパレータ側の面に向かって、撥水剤の濃度分布が高くなるように制御することによって、触媒層側の面から燃料電池用セパレータ側の面に向かって排水性を高くすることができる。これによって、触媒層内の水分の吸い上げ効果を高くすることができる。また、多孔質基材の燃料電池用セパレータ側の面は撥水性が高いため、接触角、転落角も高い。したがって、燃料電池用セパレータ側付近で水分が滞留することを抑制することができる。 As described above, in the fuel cell manufacturing method according to the present embodiment, in the drying step of drying the porous substrate coated with the water repellent, different drying is performed on one surface of the porous substrate and the other surface. By setting the conditions and controlling the concentration distribution of the water repellent in the porous substrate, a fuel cell with high drainage can be produced. In particular, by controlling the concentration distribution of the water repellent from the surface on the catalyst layer side of the porous substrate toward the surface on the fuel cell separator side, the separator for the fuel cell from the surface on the catalyst layer side. The drainage can be increased toward the side surface. Thereby, the effect of sucking up moisture in the catalyst layer can be enhanced. Further, since the surface of the porous substrate on the fuel cell separator side has high water repellency, the contact angle and the falling angle are also high. Therefore, it is possible to suppress moisture from being retained in the vicinity of the fuel cell separator side.
本実施形態の燃料電池の製造方法により得られる燃料電池は、例えば、携帯電話、携帯用パソコン等のモバイル機器用小型電源、自動車用電源、家庭用電源等として使用することができる。 The fuel cell obtained by the fuel cell manufacturing method of the present embodiment can be used as, for example, a small power source for mobile devices such as a mobile phone and a portable personal computer, a power source for automobiles, and a household power source.
1 燃料電池用拡散層、2 燃料電池、10,10a〜10c 多孔質基材、12 熱源、14 膜−電極アッセンブリ、16 燃料電池用セパレータ、18 電解質膜、20 触媒層、22 反応ガス流路。
DESCRIPTION OF
Claims (6)
前記乾燥工程において、前記多孔質基材の一方の面と他方の面とで異なる乾燥条件を設定し、前記多孔質基材内の撥水剤の濃度分布を制御することを特徴とする燃料電池用拡散層の製造方法。 An application step of applying a water repellent to the porous substrate, and a drying step of drying the porous substrate coated with the water repellent,
In the drying step, a different drying condition is set for one surface and the other surface of the porous base material, and the concentration distribution of the water repellent in the porous base material is controlled. For producing a diffusion layer for use.
前記乾燥工程において、前記多孔質基材の一方の面と他方の面とで異なる乾燥条件を設定し、前記多孔質基材内の撥水剤の濃度分布を制御することを特徴とする燃料電池の製造方法。 A step of applying a water repellent to a porous substrate and a step of producing a diffusion layer for a fuel cell comprising a drying step of drying the porous substrate coated with the water repellent; and on both sides of the membrane-electrode assembly, A fuel cell manufacturing method including a fuel cell diffusion layer manufactured in the fuel cell diffusion layer manufacturing process, and a fuel cell separator disposed on both outer sides of the fuel cell diffusion layer. And
In the drying step, a different drying condition is set for one surface and the other surface of the porous base material, and the concentration distribution of the water repellent in the porous base material is controlled. Manufacturing method.
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