JP2010073586A - Electrolyte membrane-electrode assembly - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、電解質膜−電極接合体に関するものである。特に、本発明は、ガス拡散層基材に改良を加えた電解質膜−電極接合体に関するものである。 The present invention relates to an electrolyte membrane-electrode assembly. In particular, the present invention relates to an electrolyte membrane-electrode assembly obtained by improving a gas diffusion layer base material.
近年、エネルギー・環境問題を背景とした社会的要求や動向と呼応して、常温でも作動して高出力密度が得られる燃料電池が電気自動車用電源、定置型電源として注目されている。燃料電池は、電極反応による生成物が原理的に水であり、地球環境への悪影響がほとんどないクリーンな発電システムである。特に、固体高分子形燃料電池は、比較的低温で作動することから、電気自動車用電源として期待されている。固体高分子型燃料電池の構成は、一般的には、電解質膜−電極接合体(MEA)を、セパレータで挟持した構造となっている。電解質膜−電極接合体は、高分子電解質膜が一対の電極触媒層およびガス拡散層により挟持されてなるものである。 In recent years, in response to social demands and trends against the background of energy and environmental problems, fuel cells that can operate at room temperature and obtain high output density have attracted attention as power sources for electric vehicles and stationary power sources. A fuel cell is a clean power generation system in which the product of an electrode reaction is water in principle and has almost no adverse effect on the global environment. In particular, the polymer electrolyte fuel cell is expected as a power source for electric vehicles because it operates at a relatively low temperature. The polymer electrolyte fuel cell generally has a structure in which an electrolyte membrane-electrode assembly (MEA) is sandwiched between separators. The electrolyte membrane-electrode assembly is formed by sandwiching a polymer electrolyte membrane between a pair of electrode catalyst layers and a gas diffusion layer.
上記したようなMEAを有する固体高分子型燃料電池では、固体高分子電解質膜を挟持する両電極(カソード及びアノード)において、その極性に応じて以下に記す反応式で示される電極反応を進行させ、電気エネルギーを得ている。まず、アノード(燃料極)側に供給された燃料ガスに含まれる水素は、触媒成分により酸化され、プロトンおよび電子となる(2H2→4H++4e−:反応1)。次に、生成したプロトンは、電極触媒層に含まれる固体高分子電解質、さらに電極触媒層と接触している固体高分子電解質膜を通り、カソード(酸素極)側電極触媒層に達する。また、アノード側電極触媒層で生成した電子は、電極触媒層を構成している導電性担体(電子伝導性担体)、さらに電極触媒層の固体高分子電解質膜と異なる側に接触しているガス拡散層、セパレータおよび外部回路を通してカソード側電極触媒層に達する。そして、カソード側電極触媒層に達したプロトンおよび電子はカソード側に供給されている酸化剤ガスに含まれる酸素と反応し水を生成する(O2+4H++4e−→2H2O:反応2)。燃料電池では、上述した電気化学的反応を通して、電気を外部に取り出すことが可能となる。 In a polymer electrolyte fuel cell having an MEA as described above, an electrode reaction represented by the following reaction formula is allowed to proceed in accordance with the polarity of both electrodes (cathode and anode) sandwiching the polymer electrolyte membrane. Are getting electrical energy. First, hydrogen contained in the fuel gas supplied to the anode (fuel electrode) side is oxidized by the catalyst component to become protons and electrons (2H 2 → 4H + + 4e − : reaction 1). Next, the generated protons pass through the solid polymer electrolyte contained in the electrode catalyst layer and the solid polymer electrolyte membrane in contact with the electrode catalyst layer, and reach the cathode (oxygen electrode) side electrode catalyst layer. In addition, the electrons generated in the anode-side electrode catalyst layer are in contact with a conductive carrier (electron-conductive carrier) constituting the electrode catalyst layer, and a gas in contact with a different side of the electrode catalyst layer from the solid polymer electrolyte membrane. The cathode side electrocatalyst layer is reached through the diffusion layer, separator and external circuit. The protons and electrons that have reached the cathode-side electrode catalyst layer react with oxygen contained in the oxidant gas supplied to the cathode side to generate water (O 2 + 4H + + 4e − → 2H 2 O: Reaction 2). . In the fuel cell, electricity can be taken out through the above-described electrochemical reaction.
上記電気化学的反応において、アノード側で上記反応1により生成した水素イオン(H+)(以下、「プロトン」とも称する)は、水和状態(H3O+)で固体高分子電解質膜を透過(拡散)し、膜を透過したプロトンは、カソードで、ガス拡散層(以下、「GDL」とも称する)を透過(拡散)した酸素および電子とともに、上記反応2に供される。すなわち、アノードおよびカソードでの反応は、固体高分子電解質膜に密着した電極触媒層を反応サイトとし、当該電極触媒層内の触媒と固体高分子電解質(以下、「高分子電解質」とも称する)との界面で進行する。したがって、触媒と高分子電解質との界面が増大し、界面形成が均一化すれば、上記した反応1及び2が、より円滑かつ活発に進行するため、好ましい。このように、燃料電池は自動車用や定置用電源としての利用が試みられている。 In the electrochemical reaction, hydrogen ions (H + ) (hereinafter also referred to as “protons”) generated by the reaction 1 on the anode side permeate the solid polymer electrolyte membrane in a hydrated state (H 3 O + ). Protons that have diffused and permeated through the membrane are supplied to the reaction 2 together with oxygen and electrons that have permeated (diffused) through a gas diffusion layer (hereinafter also referred to as “GDL”) at the cathode. That is, the reaction at the anode and the cathode uses the electrode catalyst layer in close contact with the solid polymer electrolyte membrane as a reaction site, and the catalyst in the electrode catalyst layer and the solid polymer electrolyte (hereinafter also referred to as “polymer electrolyte”). Progress at the interface. Therefore, if the interface between the catalyst and the polymer electrolyte is increased and the formation of the interface is made uniform, the above reactions 1 and 2 are preferable because the reaction proceeds more smoothly and actively. As described above, attempts have been made to use the fuel cell as an automobile or stationary power source.
しかしながら、燃料極及び酸素極で発生した電気エネルギーを長期にわたり燃料電池外部に効率良く取り出すためには低加湿〜高加湿運転、低温〜高温運転で安定した発電性能を示すと共に、燃料電池使用期間中に安定した性能を示す燃料電池を提供する必要がある。 However, in order to efficiently extract the electric energy generated at the fuel electrode and oxygen electrode to the outside of the fuel cell over a long period of time, it exhibits stable power generation performance at low humidification to high humidification operation, low temperature to high temperature operation, and during the fuel cell usage period There is a need to provide a fuel cell that exhibits stable performance.
かような状況下、触媒電極層上に多孔質層を設け、この多孔質層を介して、燃料電池に供給された反応ガスを効率良く触媒電極層に供給することによって、電気化学反応におけるガス利用率を向上させることを試みる技術が存在する(特許文献1)。特許文献1は、触媒電極上に設ける複数の層から成る多孔質層を介して触媒電極層にガスが供給される際の、ガス利用率を確保することを目的としている。そして、その目的は、金属多孔質部材と導電性多孔質部材を積層した構造で、金属多孔質部材を外側に積層、ガス供給部として配置し、内側GDLに比べ圧縮弾性率が高い構造とすることにより達成しようとしている。
しかしながら、上記特許文献においては、金属多孔質体を通してガスを供給していたため燃料電池運転における圧損が大きく発電性能が低いという問題があった。また、燃料電池運転条件や生涯(経たり)から性能低下が大きいという問題があった。さらには、ガス流路を構成しないセパレータが使用されること前提であり、ガス拡散性から第2のガス拡散層を厚くする問題があった。 However, in the above-mentioned patent document, since gas is supplied through the metal porous body, there is a problem that the pressure loss in the fuel cell operation is large and the power generation performance is low. In addition, there has been a problem that performance degradation is large due to fuel cell operating conditions and lifetime. Furthermore, it is a premise that a separator that does not constitute a gas flow path is used, and there is a problem of increasing the thickness of the second gas diffusion layer due to gas diffusibility.
したがって、本発明は、上記問題点を解決し、低加湿〜高加湿運転、低温〜高温運転で安定した発電性能を示すと共に、燃料電池使用期間中に安定した性能を示す電解質膜−電極接合体を提供することを目的とする。 Therefore, the present invention solves the above-mentioned problems, and shows an electrolyte membrane-electrode assembly that exhibits stable power generation performance during low-humidity to high-humidification operation and low-temperature to high-temperature operation, and also exhibits stable performance during the fuel cell usage period. The purpose is to provide.
本発明の他の目的は、かような電解質膜−電極接合体をセパレータにより挟持されてなる、燃料電池を提供することを目的とする。 Another object of the present invention is to provide a fuel cell in which such an electrolyte membrane-electrode assembly is sandwiched between separators.
本発明のさらに他の目的は、かような燃料電池を搭載した車両を提供することを目的とする。 Still another object of the present invention is to provide a vehicle equipped with such a fuel cell.
本発明者は、上記目的を達成するために鋭意検討を行なった。その結果、ガス拡散層をセパレータ側の基材が最も硬く、かつ、薄くするように2以上のガス拡散基材で構成することにより、本目的を達成することを見出した。 The present inventor has intensively studied to achieve the above object. As a result, the present inventors have found that this object can be achieved by configuring the gas diffusion layer with two or more gas diffusion substrates so that the substrate on the separator side is the hardest and thinnest.
本発明の電解質膜−電極接合体は、低加湿〜高加湿運転、低温〜高温運転で安定した発電性能を示すと共に、燃料電池使用期間中に安定した性能を示す。 The electrolyte membrane-electrode assembly of the present invention exhibits stable power generation performance during low humidification to high humidification operation and low temperature to high temperature operation, and also exhibits stable performance during the fuel cell usage period.
以下、適宜図面を参照しながら、本発明のMEAを有する燃料電池を好適な実施形態として詳細に説明する。なお、各図面は説明の便宜上誇張されて表現されており、各図面における各構成要素の寸法比率が実際とは異なる場合がある。 Hereinafter, a fuel cell having an MEA of the present invention will be described in detail as a preferred embodiment with appropriate reference to the drawings. Each drawing is exaggerated for convenience of explanation, and the dimensional ratio of each component in each drawing may be different from the actual one.
本発明は、電解質膜と、前記電解質膜の一方の面に配置された、カソード触媒層およびカソードガス拡散層を含むカソードガス拡散電極と、前記電解質膜の他方の面に配置された、アノード触媒層およびアノードガス拡散層を含むアノードガス拡散電極と、を有する電解質膜−電極接合体であって、前記カソードガス拡散層または前記アノードガス拡散層が、圧縮弾性率の異なる少なくとも2つのガス拡散層基材が積層されてなり、前記ガス拡散層基材中、セパレータに隣接して配置されたガス拡散層基材をガス拡散層基材Sとしたときに、前記ガス拡散層基材Sの圧縮弾性率が最も高く、かつ、厚みは最も薄い、電解質膜−電極接合体(MEA)である。 The present invention relates to an electrolyte membrane, a cathode gas diffusion electrode including a cathode catalyst layer and a cathode gas diffusion layer disposed on one surface of the electrolyte membrane, and an anode catalyst disposed on the other surface of the electrolyte membrane. And an anode gas diffusion electrode including an anode gas diffusion layer, wherein the cathode gas diffusion layer or the anode gas diffusion layer has at least two gas diffusion layers having different compression elastic moduli When the gas diffusion layer base material S is formed by laminating the base material and the gas diffusion layer base material S disposed adjacent to the separator in the gas diffusion layer base material is compressed, the gas diffusion layer base material S is compressed. An electrolyte membrane-electrode assembly (MEA) having the highest elastic modulus and the smallest thickness.
このように、ガス拡散層として、高弾性率GDLと低弾性率GDLとが積層されてなるガス拡散層基材を適用し、セパレータと隣接して配置されたガス拡散層基材を、高弾性率GDLとし、その厚みを最も薄くすることで、本発明の課題を解決することができる。すわち、セパレータ側にガス拡散層基材Sを配置することにより、ガス流路内へのGDLのテンティングを抑制し、また、触媒層側にガス拡散層基材Cを配置することにより、運転時の寸法変化による面圧変化を吸収し、長期に亘り発電性能を維持することが可能となる。 As described above, the gas diffusion layer base material in which the high elastic modulus GDL and the low elastic modulus GDL are laminated is applied as the gas diffusion layer, and the gas diffusion layer base material that is disposed adjacent to the separator is made highly elastic. The problem of the present invention can be solved by setting the rate GDL to be the thinnest. In other words, by disposing the gas diffusion layer base material S on the separator side, tenting of GDL into the gas flow path is suppressed, and by disposing the gas diffusion layer base material C on the catalyst layer side, It is possible to absorb changes in surface pressure due to dimensional changes during operation and maintain power generation performance over a long period of time.
本発明のMEAは、固体高分子型燃料電池(PEFC)に用いられると特に好ましいため、固体高分子型燃料電池を中心に説明する。固体高分子型燃料電池の構成は、一般的には、電解質膜−電極接合体(MEA)を、セパレータで挟持した構造となっている。電解質膜−電極接合体は、高分子電解質膜が一対の電極触媒層およびガス拡散層により挟持されてなるものである。すなわち、本発明の燃料電池は、本発明の電解質膜−電極接合体(MEA)と、前記電解質膜−電極接合体を挟持する、カソード側セパレータおよびアノード側セパレータからなる1対のセパレータと、を有する。かかる構成を採用することで、本発明の燃料電池は、低加湿〜高加湿運転、低温〜高温運転で安定した発電性能を示すと共に、燃料電池使用期間中に安定した性能を示し、出力性能に非常に優れる。つまり、本発明は、流路内へのGDLのテンティングを抑制し、優れた発電特性を有する燃料電池を提供することが可能となる。 Since the MEA of the present invention is particularly preferably used in a polymer electrolyte fuel cell (PEFC), the polymer electrolyte fuel cell will be mainly described. The polymer electrolyte fuel cell generally has a structure in which an electrolyte membrane-electrode assembly (MEA) is sandwiched between separators. The electrolyte membrane-electrode assembly is formed by sandwiching a polymer electrolyte membrane between a pair of electrode catalyst layers and a gas diffusion layer. That is, the fuel cell of the present invention comprises an electrolyte membrane-electrode assembly (MEA) of the present invention and a pair of separators comprising a cathode-side separator and an anode-side separator that sandwich the electrolyte membrane-electrode assembly. Have. By adopting such a configuration, the fuel cell of the present invention exhibits stable power generation performance in low humidification to high humidification operation and low temperature to high temperature operation, and also exhibits stable performance during the use period of the fuel cell. Very good. In other words, the present invention can provide a fuel cell that suppresses GDL tenting into the flow path and has excellent power generation characteristics.
図1は、燃料電池(固体高分子型燃料電池;PEFC)の模式断面図である。なお、図1には燃料電池の単セルが図示されている。図1に示すPEFC200は、本発明のMEA100を有する。本発明のMEA100は、固体高分子電解質膜110と、前記固体高分子電解質膜110の一方の面は、カソード触媒層122cおよびカソードガス拡散層124cを含むカソードガス拡散電極120cとが配置される。また、前記固体高分子電解質膜110の他方の面は、アノード触媒層122aおよびアノードガス拡散層124aを含むアノードガス拡散電極120aと、が配置される。なお、本願において、「電解質膜−電極接合体(MEA)」とは、固体高分子電解質膜110と、前記固体高分子電解質膜110を挟持する1対のガス拡散電極(120c、120a)とを有する集合体を意味する。なお、電解質膜−電極接合体を単に、「膜電極接合体」と称することもある。
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of a fuel cell (solid polymer fuel cell; PEFC). FIG. 1 shows a single cell of the fuel cell. The PEFC 200 shown in FIG. 1 has the
本発明においては、カソードガス拡散層124cまたはアノードガス拡散層124aは、圧縮弾性率の異なる少なくとも2つのガス拡散層基材が積層されてなる。図1に示す形態においては、カソードガス拡散層124cおよびアノードガス拡散層124aいずれもが、圧縮弾性率の異なる2つのガス拡散層基材(124cs、124cc、124as、124ac)が積層されてなる。そして、前記ガス拡散層基材中、セパレータに隣接して配置されたガス拡散層基材をガス拡散層基材S(124cs、124as)としたときに、前記ガス拡散層基材Sの圧縮弾性率が最も高く、かつ、厚みは最も薄い。また、前記ガス拡散層基材中、前記触媒層に最も近いガス拡散層基材をガス拡散層基材Cとする。無論、カソードガス拡散層122cおよびアノードガス拡散層124aいずれかが、圧縮弾性率の異なる少なくとも2つのガス拡散層基材が積層されていればよい。
In the present invention, the cathode
その場合、好ましくは、カソードガス拡散層124cの方に圧縮弾性率の異なる少なくとも2つのガス拡散層基材が積層されているとよい。それは、以下の理由による。すなわち、アノード側、カソード側で燃料電池に供給するガス流量が違い、カソード側の流量が大きい。そのためガス流すための流路もカソードの側の方が大きくする必要があるため、リブ(後述する)を小さくしなくてはならない。この時、同じ荷重かけても、ガス拡散層にかかる面圧が高いのはカソード側である。寸法変化が起こったときに、面圧変化を小さくするためには、カソード側ガス拡散層の寸法変化に融通が効くようにするとよい。よって、カソードガス拡散層124cの方に圧縮弾性率の異なる少なくとも2つのガス拡散層基材が積層されると好ましい。
In that case, it is preferable that at least two gas diffusion layer base materials having different compression elastic moduli are laminated on the cathode
ここで、本明細書中、「圧縮弾性率」は、実施例の欄に記載の方法によって測定された値とする。なお、GDLの圧縮特性は、後述もするが、非線形特性を有するため、どの面圧(応力)に着目するかにより圧縮弾性率が異なる。よって、「ガス拡散層基材中、ガス拡散層基材Sの圧縮弾性率が最も高い」とは、同じ条件下(例えば、「同じ面圧条件下」を含む)において、ガス拡散層基材中の前記ガス拡散層基材S以外の他のガス拡散層基材と比較することを前提とする。なお、圧縮弾性率は、後述する図3aの各応力点の接線の傾きである。 Here, in this specification, the “compression modulus” is a value measured by the method described in the column of Examples. Although the compression characteristics of GDL will be described later, since they have nonlinear characteristics, the compression elastic modulus differs depending on which surface pressure (stress) is focused. Therefore, “the gas diffusion layer base material S has the highest compressive elastic modulus among the gas diffusion layer base materials” means that the gas diffusion layer base material is used under the same conditions (for example, “including the same surface pressure conditions”). It presupposes comparing with other gas diffusion layer base materials other than the said gas diffusion layer base material S inside. The compression modulus is the slope of the tangent of each stress point in FIG.
少なくとも2つのガス拡散層基材が積層されるとは、そのガス拡散層基材の数が2つ以上であれば、その数に特に制限はなく、3つでも、4つでも、それ以上でもよい。ただ、コスト、燃料電池寸法の観点で、好ましくは、3つ、より好ましくは2つである。また、ガス拡散層基材Sの圧縮弾性率が最も高ければ、積層されるガス拡散層基材の種類にも特に制限はなく、同じ材料を使用してもよいし、異なる材料を使用してもよい。3つ以上の場合、電解質膜の膨潤収縮による影響を抑制する観点で、ガス拡散層基材Cからガス拡散層基材Sに近づくにつれて、傾斜的に、圧縮弾性率が大きくなるとよい。ガス拡散層基材Sと、ガス拡散層基材Cとの具体的な圧縮弾性率の比についても特に制限はないが、テンティングを十分抑制し、GDLにかかる面圧変化を十分抑制し、燃料電池の長期安定性を確保するとの観点から、ガス拡散層基材Cの圧縮弾性率に対するガス拡散層基材Sの圧縮弾性率の比が、1.3〜5.0、より好ましくは1.4〜3.0である。また、ガス拡散層基材Sの圧縮弾性率が、ガス拡散層基材中、相対的に最も高ければ具体的な値に関しては、特に制限されない。 The fact that at least two gas diffusion layer base materials are laminated is not particularly limited as long as the number of gas diffusion layer base materials is two or more, and three, four, or more Good. However, from the viewpoint of cost and fuel cell dimensions, it is preferably three, more preferably two. Moreover, as long as the compression elastic modulus of the gas diffusion layer base material S is the highest, the type of the gas diffusion layer base material to be laminated is not particularly limited, and the same material may be used or different materials may be used. Also good. In the case of three or more, from the viewpoint of suppressing the influence due to swelling and shrinkage of the electrolyte membrane, it is preferable that the compression elastic modulus increases in a gradient as the gas diffusion layer substrate C approaches the gas diffusion layer substrate S. There is no particular limitation on the specific compression elastic modulus ratio between the gas diffusion layer base material S and the gas diffusion layer base material C, but the tenting is sufficiently suppressed, and the change in surface pressure applied to the GDL is sufficiently suppressed, From the viewpoint of ensuring the long-term stability of the fuel cell, the ratio of the compression elastic modulus of the gas diffusion layer base material S to the compression elastic modulus of the gas diffusion layer base material C is 1.3 to 5.0, more preferably 1. .4 to 3.0. Further, the specific value is not particularly limited as long as the compression elastic modulus of the gas diffusion layer base material S is relatively highest among the gas diffusion layer base materials.
本発明においては、様々な使用環境における、テンティングと、面圧変動に対応する目的で、ガス拡散層基材S(硬いGDL)と、ガス拡散層基材C(柔らかいGDL)とを使用する。 In the present invention, the gas diffusion layer base material S (hard GDL) and the gas diffusion layer base material C (soft GDL) are used for the purpose of dealing with tenting and surface pressure fluctuation in various usage environments. .
また、ガス拡散層基材Sの厚さに関しては、上記を満たせば(つまり、前記ガス拡散層基材中の前記ガス拡散層基材S以外の他のガス拡散層基材と比較して、最も薄ければ)、具体的な数値については制限されない。テンティングを十分抑制し、GDLにかかる面圧変化を十分抑制するとの観点で、ガス拡散層基材Sの厚みは、好ましくは30〜150μm、より好ましくは40〜130μmである。なお、寸法変化のガス拡散層による吸収の観点で、ガス拡散層基材Cの厚みは、好ましくは70〜300μm、より好ましくは100〜270μm、さらに好ましくは、130〜250μmである。基材の厚さがかような範囲内の値であれば、燃料電池収縮に伴うMEAの膨潤収縮に対し有意に働くと伴に、機械的強度とガスおよび水などの拡散性とのバランスが適切に制御される。また、ガス拡散層基材Cに対するガス拡散層基材Sの厚みの比も特に制限はないが、好ましくは0.1〜0.9、より好ましくは0.2〜0.7である。かような範囲であると、ガス拡散層としての性能を有意に向上させる。つまり、ガス拡散層基材S(硬いGDL)が厚くなると、ガス拡散性が悪くなるため、かような範囲であると好ましい。 As for the thickness of the gas diffusion layer substrate S, if the above is satisfied (that is, compared with other gas diffusion layer substrates other than the gas diffusion layer substrate S in the gas diffusion layer substrate, If it is the thinnest), there is no limit on the specific numerical value. From the viewpoint of sufficiently suppressing the tenting and sufficiently suppressing the change in the surface pressure applied to the GDL, the thickness of the gas diffusion layer base material S is preferably 30 to 150 μm, more preferably 40 to 130 μm. In addition, from the viewpoint of absorption of the dimensional change by the gas diffusion layer, the thickness of the gas diffusion layer base material C is preferably 70 to 300 μm, more preferably 100 to 270 μm, and still more preferably 130 to 250 μm. If the thickness of the substrate is within such a range, the balance between the mechanical strength and the diffusivity of gas, water, etc., as well as significantly acting on the swelling and shrinkage of the MEA accompanying the shrinkage of the fuel cell. Appropriately controlled. Further, the ratio of the thickness of the gas diffusion layer substrate S to the gas diffusion layer substrate C is not particularly limited, but is preferably 0.1 to 0.9, more preferably 0.2 to 0.7. In such a range, the performance as a gas diffusion layer is significantly improved. That is, when the gas diffusion layer substrate S (hard GDL) is thick, the gas diffusibility is deteriorated.
所望の圧縮弾性率を有するガス拡散層基材は、例えば市販のものを購入することによって準備することができる。所望しているものと完全一致する圧縮弾性率を有するガス拡散層基材が市販されてない場合は、その値に近いものを購入し、圧縮弾性率の制御することにより、所望の圧縮弾性率に調節することができる。圧縮弾性率を制御する方法としても、特に制限されず、当業者であれば従来公知の知見を適宜参照し、あるいは組み合わせることで、所望の圧縮弾性率に調節することができる。具体的な調節方法の指針を示すと、目付量、嵩密度、空孔率、材料を適宜設計変更・調節・添加することで行うことができる。 A gas diffusion layer base material having a desired compression modulus can be prepared by, for example, purchasing a commercially available product. If a gas diffusion layer base material having a compression elastic modulus that exactly matches the desired one is not commercially available, purchase a material close to that value and control the compression elastic modulus to obtain the desired compression elastic modulus. Can be adjusted to. The method for controlling the compression elastic modulus is not particularly limited, and those skilled in the art can adjust the compression elastic modulus to a desired one by appropriately referring to or combining conventionally known knowledge. If the guideline of the concrete adjustment method is shown, it can carry out by changing a design, adjusting, and adding suitably a fabric weight, a bulk density, a porosity, and material.
本発明のPEFC200においてMEA100は、カソード側セパレータ150cおよびアノード側セパレータ150aからなる1対のセパレータにより挟持されている。ここで、カソード側セパレータ150cのカソードガス拡散層124c側表面には、運転時に酸化剤ガスが流通する酸化剤ガス流路152cが設けられており、反対側の表面には、運転時に冷却剤が流通する冷却流路(図示せず)が設けられている。一方、アノード側セパレータ150aのアノード側ガス拡散層124a側表面には、運転時に燃料ガスが流通する燃料ガス流路152aが設けられており、反対側の表面には、運転時に冷却剤が流通する冷却流路(図示せず)が設けられている。そして、PEFC200の周囲には、1対のガス拡散電極(120c,120a)を包囲するように、ガスケットが配置されてもよい(図示せず)。
In the
上記では、本発明の具体的な構成について説明したが、かかる構成を採用することが好ましい理由を、燃料電池の作用機序を参照しながら、以下においてさらに詳しく説明する。 Although the specific configuration of the present invention has been described above, the reason why it is preferable to employ this configuration will be described in more detail below with reference to the mechanism of operation of the fuel cell.
燃料電池の電極触媒層は、導電性担体、触媒粒子および電解質(プロトン導電性電解質)を含む。アノード(燃料極)側に供給された水素を含むガスは、触媒層の外側に配置されたガス拡散層を通して触媒層に達し、触媒粒子により酸化されプロトンと電子が生成される。生成したプロトンは、触媒層を構成しているプロトン導電性電解質、さらに触媒層と接触している電解質膜を通りカソード極(酸素)側触媒層に達する。また、アノード側触媒層で生成した電子は、触媒層を構成している導電性担体、さらに触媒層の電解質膜と異なる側に接触しているガス拡散層、ガスセパレータおよび外部回路を通してカソード側触媒層に達する。カソード側に供給された酸素を含むガスは、アノード側同様に触媒層の外側に配置されたガス拡散層を通して触媒層に達している。カソード触媒層に達したプロトンおよび電子は酸素と反応し水を形成する。この反応を通して、燃料電池は外部に電気を取り出すことが可能となる。 The electrode catalyst layer of the fuel cell includes a conductive carrier, catalyst particles, and an electrolyte (proton conductive electrolyte). The gas containing hydrogen supplied to the anode (fuel electrode) side reaches the catalyst layer through the gas diffusion layer disposed outside the catalyst layer, and is oxidized by the catalyst particles to generate protons and electrons. The produced protons reach the cathode (oxygen) side catalyst layer through the proton conductive electrolyte constituting the catalyst layer and the electrolyte membrane in contact with the catalyst layer. Further, the electrons generated in the anode side catalyst layer are converted into the cathode side catalyst through the conductive carrier constituting the catalyst layer, the gas diffusion layer contacting the side of the catalyst layer that is different from the electrolyte membrane, the gas separator, and the external circuit. Reach the layer. The oxygen-containing gas supplied to the cathode side reaches the catalyst layer through a gas diffusion layer disposed outside the catalyst layer as in the anode side. Protons and electrons that reach the cathode catalyst layer react with oxygen to form water. Through this reaction, the fuel cell can extract electricity to the outside.
燃料電池のガス拡散層は、少なくとも導電性材料を含んだ基材を用いて構成されている。ガス拡散層は、電極触媒層、セパレータ間の電子伝導経路を提供するとともに、セパレータ側から供給されたガスを電極触媒層へ良好に供給する必要がある。 The gas diffusion layer of the fuel cell is configured using a base material containing at least a conductive material. The gas diffusion layer needs to provide an electron conduction path between the electrode catalyst layer and the separator, and to satisfactorily supply the gas supplied from the separator side to the electrode catalyst layer.
燃料電池は、電解質膜、電極触媒層、ガス拡散層を含む膜電極接合体を所定の面圧(荷重)で、セパレータにより挟持されてなる。ガス拡散層にガス流路を有するセパレータでガス拡散層に面圧を印加すると、ガス流路溝内にガス拡散層が侵入する。つまり、テンティング(ガス拡散層のガス流路内への侵入)が発生し、触媒層へのガス供給が抑制され良好な発電性能が得られなくなる。 In a fuel cell, a membrane electrode assembly including an electrolyte membrane, an electrode catalyst layer, and a gas diffusion layer is sandwiched between separators at a predetermined surface pressure (load). When a surface pressure is applied to the gas diffusion layer with a separator having a gas channel in the gas diffusion layer, the gas diffusion layer enters the gas channel groove. That is, tenting (invasion of the gas diffusion layer into the gas flow path) occurs, gas supply to the catalyst layer is suppressed, and good power generation performance cannot be obtained.
本発明においては、ガス拡散層へかかる面圧変化を抑制し、寸法変化に伴う流路内へのテンティングを抑制し、触媒層へのガス供給を確保すべく、下記構成を採用する。すなわち、ガス拡散層基材に、セパレータに接するように高弾性率且つ薄いガス拡散層基材を使用し、電解質側に低弾性率基材が積層された基材を使用する。かかる構成を採用することにより、流路内へのGDLのテンティングを抑制し、優れた発電特性を有する燃料電池を提供することに繋がる。つまり、流路溝内へのGDLのテンティングを抑制することで、発電特性の優れた燃料電池を提供することが可能となる。 In the present invention, the following configuration is adopted in order to suppress a change in surface pressure applied to the gas diffusion layer, to suppress tenting in the flow path due to a dimensional change, and to ensure gas supply to the catalyst layer. That is, a gas diffusion layer base material is used that has a high elastic modulus and a thin gas diffusion layer so as to be in contact with the separator, and a base material in which a low elastic modulus base material is laminated on the electrolyte side. By adopting such a configuration, it is possible to suppress the GDL tenting into the flow path and to provide a fuel cell having excellent power generation characteristics. That is, it is possible to provide a fuel cell having excellent power generation characteristics by suppressing GDL tenting into the flow channel.
続いて、「テンティング」についてより具体的に説明する。図2は、テンティングの発生を模式的に表した図である。燃料電池は、所定の荷重(面圧)をかけて組み立てられる。実際には、運転条件によりこの初期面圧から変化する。つまり、燃料電池の組み立てが完成した時から、一定の面圧(初期面圧)が加わっており、荷重(面圧)は、その初期面圧から変化する。そして、その積層に伴う荷重は、燃料電池の運転状態により変化する。この荷重により、GDLに面圧が直接かかる部分(セパレータと接触部分;リブ部分)と、直接はかからない部分(接触していない部分;流路部分)と、が発生する。このため、GDLにかかる面圧により、テンティング量(GDLの流路内への侵入量)は変わり、面圧が高いほどテンティング量は大きくなる。テンティング量が大きくなると、有効なガス流路部が小さくなり、ガスの流れが阻害され発電性能が悪化する。なお、ガス流路流れ方向は、手前から奥行き方向または、奥行きから手前方向である。 Next, “tenting” will be described more specifically. FIG. 2 is a diagram schematically showing the occurrence of tenting. The fuel cell is assembled by applying a predetermined load (surface pressure). Actually, the initial surface pressure varies depending on the operating conditions. That is, a constant surface pressure (initial surface pressure) has been applied since the assembly of the fuel cell was completed, and the load (surface pressure) changes from the initial surface pressure. And the load accompanying the stacking varies depending on the operating state of the fuel cell. Due to this load, a portion where the surface pressure is directly applied to the GDL (a separator and a contact portion; a rib portion) and a portion which is not directly applied (a portion which is not in contact; a flow path portion) are generated. For this reason, the amount of tenting (the amount of penetration of GDL into the flow path) varies depending on the surface pressure applied to the GDL, and the amount of tenting increases as the surface pressure increases. When the amount of tenting increases, the effective gas flow path portion becomes smaller, the gas flow is hindered, and the power generation performance deteriorates. The gas channel flow direction is from the front to the depth or from the depth to the front.
セパレータのガス流路としての特性を客観的に示す数値として、本明細書においては、「テンティング割合」を使用する。テンティング割合は、下記式で表される。 In this specification, “tenting ratio” is used as a numerical value that objectively indicates the characteristics of the separator as a gas flow path. The tenting ratio is expressed by the following formula.
ここで、「テンティング量m」とは、図2に示すとおり、ガス拡散層基材Sが、ガス流路溝に侵入した最大寸法(μm)を言う。また、「流路深さL(μm)」とは、図2に示すとおり、セパレータのガス流路溝の最大深さである。ここで、本明細書中、「テンティング割合」は、実施例の欄に記載の方法によって「テンティング量m」、「流路深さL」を測定して算出した値とする。セパレータのガス流路としての特性としては、「テンティング割合」は、小さい方が好ましく、具体的に好ましくは、触媒層へのガス供給を確保する観点で、10%以下であり、より好ましくは5%以下であり、さらに好ましくは4%以下、特に好ましくは3%以下である。この範囲であれば、十分な量のガスが各触媒層に供給できる。 Here, the “tenting amount m” refers to the maximum dimension (μm) in which the gas diffusion layer base material S has entered the gas flow channel groove, as shown in FIG. Further, the “channel depth L (μm)” is the maximum depth of the gas channel groove of the separator as shown in FIG. Here, in this specification, the “tenting ratio” is a value calculated by measuring the “tenting amount m” and the “flow path depth L” by the method described in the example column. As a characteristic of the gas flow path of the separator, the “tenting ratio” is preferably smaller, specifically preferably 10% or less, more preferably from the viewpoint of securing gas supply to the catalyst layer. It is 5% or less, more preferably 4% or less, and particularly preferably 3% or less. If it is this range, sufficient quantity of gas can be supplied to each catalyst layer.
本発明によれば、「テンティング割合」を小さくすることにより、「セパレータのガス流路としての特性」を向上させ、それにより、「ガスの流れの特性」の低下を抑制し、発電性能の低下を抑えることが可能になる。 According to the present invention, by reducing the “tenting ratio”, the “characteristics of the separator as a gas flow path” is improved, thereby suppressing the deterioration of the “gas flow characteristics” and the power generation performance. It becomes possible to suppress the decrease.
ここで、ガスの流れの特性を客観的に示す数値として、本明細書においては、「透気度」を使用する。ここで、本明細書中、「透気度」とは、実施例の欄に記載の方法によって測定された値とする。無論「透気度」は低い方が好ましくは、ガス供給のする働きを考慮すると、好ましくは1秒以下、より好ましくは0.7秒以下、さらに好ましくは0.5秒以下である。 Here, “air permeability” is used in the present specification as a numerical value that objectively indicates the characteristics of the gas flow. Here, in this specification, “air permeability” is a value measured by the method described in the column of Examples. Of course, the lower the “air permeability”, the more preferably it is preferably 1 second or less, more preferably 0.7 seconds or less, and even more preferably 0.5 seconds or less, considering the function of gas supply.
さらに、セパレータに隣接して配置されたガス拡散層基材Sは、圧縮弾性率が最も高い必要があるが、「(面方向)破断伸び」も、流路内へのGDLのテンティングを防止し、発電特性を確保した燃料電池を提供するとの観点で、低い方が好ましい。具体的には、燃料電池運転条件の変化に伴う寸法変化による面圧変化および、運転の繰り返しに伴う寸法変化による面圧変化によらず、ガス拡散層基材のガス流路内への侵入を抑制する観点で、5%以下であることが好ましく、より好ましくは2.0%以下であり、さらに好ましくは0.9%以下、特に好ましくは0.6%以下である。 Furthermore, the gas diffusion layer base material S arranged adjacent to the separator needs to have the highest compression elastic modulus, but “(surface direction) elongation at break” also prevents GDL tenting into the flow path. However, the lower one is preferable from the viewpoint of providing a fuel cell that secures power generation characteristics. Specifically, the penetration of the gas diffusion layer base material into the gas flow path is not caused by the change in the surface pressure due to the dimensional change due to the change in the fuel cell operation condition and the change in the surface pressure due to the dimensional change due to the repeated operation. From the viewpoint of suppression, it is preferably 5% or less, more preferably 2.0% or less, still more preferably 0.9% or less, and particularly preferably 0.6% or less.
なお、本明細書中、「破断伸び」とは、実施例の欄に記載の方法によって測定された値とする。 In the present specification, “elongation at break” is a value measured by the method described in the column of Examples.
破断伸びを制御する方法としても、特に制限されず、当業者であれば従来公知の知見を適宜参照し、あるいは組み合わせることで、調節することができる。具体的な調節方法の指針を示すと、目付量、嵩密度、繊維電気抵抗、黒鉛化度、空孔率、材料を適宜設計変更・調節・添加することで行うことができる。 The method for controlling the elongation at break is not particularly limited, and those skilled in the art can make adjustments by appropriately referring to or combining conventionally known knowledge. Specific guidelines for the adjustment method can be obtained by appropriately changing the design weight, the bulk density, the fiber electrical resistance, the degree of graphitization, the porosity, and the material.
上記の通り、燃料電池運転においては、低加湿〜高加湿、低温〜高温環境下での運転が余儀なくされることがある。かかる環境下、低加湿、高加湿状態においては、電解質膜の膨潤・収縮による「寸法変化」が発生し、また低温、高温運転では燃料電池を構成している部品(例えば、セパレータなど)は、熱膨張・収縮により同様に「寸法変化」が発生する。本明細書中、この「寸法変化」を客観的に示す値として、「圧縮ひずみの差」を使用する。 As described above, in fuel cell operation, operation in a low or high humidity, low temperature to high temperature environment may be forced. Under such circumstances, in a low or high humidification state, a “dimensional change” occurs due to swelling / shrinkage of the electrolyte membrane, and components (for example, a separator, etc.) constituting a fuel cell in low temperature and high temperature operation are Similarly, “dimensional change” occurs due to thermal expansion and contraction. In this specification, “difference in compression strain” is used as a value that objectively indicates this “dimensional change”.
図3aは、GDLにかかる「圧縮ひずみの差」と、「面圧(応力)」との関係を表したものである。図3bは、GDLにかかる「面圧」と「厚み」との関係を示したものである。図3aは、GDLの一般的な物性を示したものであり、具体的には、図3bの測定を行うことで示すことができる。例えば、同一の組成からなり、厚みが異なるGDLを作製すると、図3bにおける特性は違うが、図3aの特性は同一である。つまり、図3aを参照することで「圧縮ひずみの差」と、「面圧(応力)」との関係をより一般的に理解することができる。 FIG. 3 a shows the relationship between “difference in compressive strain” applied to GDL and “surface pressure (stress)”. FIG. 3 b shows the relationship between “surface pressure” and “thickness” applied to the GDL. FIG. 3a shows general physical properties of GDL. Specifically, it can be shown by performing the measurement of FIG. 3b. For example, when GDLs having the same composition and different thicknesses are produced, the characteristics in FIG. 3b are different, but the characteristics in FIG. 3a are the same. That is, referring to FIG. 3a, the relationship between the “difference in compressive strain” and the “surface pressure (stress)” can be understood more generally.
ここで、「圧縮ひずみの差」とは、GDLに荷重(面圧)を印加された際のGDLの「変位」と「初期厚み」の比であり、具体的には、 Here, the “difference in compressive strain” is the ratio between the “displacement” and the “initial thickness” of the GDL when a load (surface pressure) is applied to the GDL.
により算出することができる。 Can be calculated.
図3bを参照すれば明らかな通り、面圧により、変位(初期厚み−各面圧の厚み)(μm)が変わる。よって、これと同様に、「圧縮ひずみの差」も変わる(図3a参照)。また、GDLへの面圧荷重方向と除荷方向でGDLへかかる「荷重(面圧)」は同一でも厚み(圧縮ひずみの差)が異なることが分かる。同一面圧における荷重方向圧縮ひずみの差と除荷重方向圧縮ひずみの差が小さいGDLの方が燃料電池を運転することにより発生する面圧変化に対して、長期に亘り安定した発電性能を示す。つまり、運転条件、経たりによらず、安定した発電性能を長期にわたり示す燃料電池を提供することが可能となる。燃料電池の荷重調整機構を簡略化することが可能となる。 As is apparent from FIG. 3b, the displacement (initial thickness−thickness of each surface pressure) (μm) varies depending on the surface pressure. Accordingly, similarly, the “compression strain difference” also changes (see FIG. 3a). Further, it can be seen that even if the “load (surface pressure)” applied to the GDL in the surface loading direction and the unloading direction is the same, the thickness (difference in compressive strain) is different. The GDL, which has a smaller difference between the compressive strain in the load direction and the compressive strain in the unloading direction at the same surface pressure, shows stable power generation performance over a long period against changes in the surface pressure generated by operating the fuel cell. That is, it is possible to provide a fuel cell that exhibits stable power generation performance over a long period of time, regardless of operating conditions and time. It becomes possible to simplify the load adjustment mechanism of the fuel cell.
ここで、上述した通り、ガス拡散層基材Cは、運転時の寸法変化による面圧変化を抑制(吸収)し、これを長期に渡り維持するために配置される。この点を考慮すると、ガス拡散層基材Cの荷重印加時と、除荷時のある面圧で、ガス拡散層基材Cの圧縮ひずみの差は小さいことが好ましい。具体的には、本発明において、前記ガス拡散層基材Cへ荷重印加時と除荷時との同一面圧での圧縮ひずみの差が、0.1以下であると、燃料電池運転条件の変化に伴う面圧変化および、運転の繰り返しに伴う面圧変化を抑制する観点で好ましい。より好ましくは0.2以下であり、さらに好ましくは0.1以下である。なお、本明細書中、「圧縮ひずみの差」とは、実施例の欄に記載の方法によって測定された値とする。 Here, as described above, the gas diffusion layer base material C is disposed in order to suppress (absorb) a change in surface pressure due to a dimensional change during operation and maintain it for a long period of time. Considering this point, it is preferable that the difference in compressive strain of the gas diffusion layer base material C is small between the surface pressure when the load of the gas diffusion layer base material C is applied and when the load is unloaded. Specifically, in the present invention, when the difference in compressive strain at the same surface pressure during load application and unloading to the gas diffusion layer base material C is 0.1 or less, This is preferable from the viewpoint of suppressing the change in the surface pressure accompanying the change and the change in the surface pressure accompanying the repeated operation. More preferably, it is 0.2 or less, More preferably, it is 0.1 or less. In the present specification, the “difference in compression strain” is a value measured by the method described in the column of Examples.
圧縮ひずみの差を制御する方法としても、特に制限されず、当業者であれば従来公知の知見を適宜参照し、あるいは組み合わせることで、所望の圧縮ひずみの差に調節することができる。具体的な調節方法の指針を示すと、構造(ペーパ、不織布、クロス)、厚さ方向配向繊維割合、繊維長さ、バインダ量、バインダ割合、を適宜設計変更・調節することで行うことができる。 The method for controlling the difference in compression strain is not particularly limited, and those skilled in the art can adjust to a desired difference in compression strain by appropriately referring to or combining conventionally known knowledge. If the guideline of the concrete adjustment method is shown, it can carry out by changing and adjusting a structure (paper, a nonwoven fabric, cloth), thickness direction orientation fiber ratio, fiber length, binder amount, binder ratio suitably. .
以上を図4に纏める。図4中のAは、所定面圧でのテンティングに相関する量を示している。図4中のBの範囲は、燃料電池で初期に組み立てた面圧から膨潤収縮、生涯(経たり)に伴う寸法変化に相関する量を示している。また、図4中のCの範囲は、寸法変化に伴うGDLへかかる面圧の変化を示している。 The above is summarized in FIG. A in FIG. 4 indicates an amount correlated with tenting at a predetermined surface pressure. The range of B in FIG. 4 shows an amount that correlates with the dimensional change accompanying the lifetime (passage) from the surface pressure initially assembled in the fuel cell to the swelling and shrinkage. Moreover, the range of C in FIG. 4 shows the change of the surface pressure applied to the GDL accompanying the dimensional change.
本発明は、ガス拡散層基材に、セパレータに接するように高弾性率且つ薄いガス拡散層基材を使用し、触媒層側に低弾性率基材が積層された基材を使用し、十分なガス供給量を確保し、面圧変化を小さくし、運転時に安定した発電性能を示し、長期にわたり維持する。 The present invention uses a gas diffusion layer substrate that has a high elastic modulus and a thin gas diffusion layer so as to be in contact with the separator, and a substrate in which a low elastic modulus substrate is laminated on the catalyst layer side. A sufficient amount of gas supply, small changes in surface pressure, stable power generation performance during operation, and maintenance over a long period of time.
以下、各構成要素につき、詳説する。 Hereinafter, each component will be described in detail.
[セパレータ]
セパレータ(150c、150a)は、PEFC200等の燃料電池の単セルを複数個直列に接続して燃料電池スタックを構成する際に、各セルを電気的に直列接続する機能を有する。また、セパレータは、燃料ガス、酸化剤ガス、および冷却剤を互に分離する隔壁としての機能も有する。そのため、上述したように、セパレータのそれぞれにはガス流路および冷却流路が設けられている。
[Separator]
The separators (150c, 150a) have a function of electrically connecting each cell in series when a plurality of single cells of a fuel cell such as
セパレータを構成する材料としては、緻密カーボングラファイト、炭素板等のカーボンや、ステンレス等の金属など、従来公知の材料が適宜制限なく用いられうる。 As a material constituting the separator, conventionally known materials such as dense carbon graphite, carbon such as a carbon plate, and metal such as stainless steel can be appropriately used without limitation.
セパレータの厚さやサイズ、設けられる各流路の形状や各流路の溝のサイズ(流路深さL)などは特に限定されず、得られる燃料電池の所望の出力特性などを考慮して適宜決定されうる。設けられる各流路の形状は、好ましくは、凹状、半円状などである。 The thickness and size of the separator, the shape of each flow path provided, the size of the groove of each flow path (flow path depth L), etc. are not particularly limited, and are appropriately determined in consideration of the desired output characteristics of the obtained fuel cell. Can be determined. The shape of each flow path provided is preferably a concave shape, a semicircular shape, or the like.
[ガスケット]
ガスケットは、1対のガス拡散電極(120c,120a)を包囲するようにPEFC200の周囲に配置され、触媒層に供給されたガスが外部にリークするのを防止する機能を有する。
[gasket]
The gasket is disposed around the
ガスケットを構成する材料としては、特に制限はないが、フッ素ゴム、シリコンゴム、エチレンプロピレンゴム(EPDM)、ポリイソブチレンゴム等のゴム材料、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、ポリヘキサフルオロプロピレン、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体(FEP)等のフッ素系の高分子材料、ポリオレフィンやポリエステル等の熱可塑性樹脂などが挙げられる。また、ガスケットの厚さにも特に制限はなく、燃料電池の所望の出力特性、構成材料の特性などを考慮して適宜決定されうる。 The material constituting the gasket is not particularly limited, but rubber materials such as fluoro rubber, silicon rubber, ethylene propylene rubber (EPDM), polyisobutylene rubber, polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylidene fluoride (PVDF), Examples thereof include fluorine-based polymer materials such as polyhexafluoropropylene and tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer (FEP), and thermoplastic resins such as polyolefin and polyester. Also, the thickness of the gasket is not particularly limited, and can be appropriately determined in consideration of the desired output characteristics of the fuel cell, characteristics of the constituent materials, and the like.
[電解質膜]
本発明の電解質膜は、固体高分子電解質膜であると特に好ましい。よって、電解質膜は、固体高分子電解質膜を中心に説明する。
[Electrolyte membrane]
The electrolyte membrane of the present invention is particularly preferably a solid polymer electrolyte membrane. Therefore, the electrolyte membrane will be described focusing on the solid polymer electrolyte membrane.
固体高分子電解質膜110は、プロトン伝導性電解質の固体高分子電解質(以下、単に「アイオノマ」とも称する)から構成される。アイオノマは、PEFCの運転時にアノード触媒層122aで生成したプロトンを膜厚方向に沿ってカソード触媒層122cへと選択的に透過させる機能を有する。また、固体高分子電解質膜110は、アノード側に供給される燃料ガスとカソード側に供給される酸化剤ガスとを混合させないための隔壁としての機能をも有する。
The solid
固体高分子電解質膜110の具体的な構成は特に制限されず、燃料電池の技術分野において従来公知のアイオノマからなる膜が適宜採用されうる。固体高分子電解質膜110は、構成材料であるアイオノマの種類に応じて、フッ素系固体高分子電解質膜と炭化水素系固体高分子電解質膜とに大別される。
The specific configuration of the solid
フッ素系固体高分子電解質としては、例えば、ナフィオン(登録商標、デュポン社製)、アシプレックス(登録商標、旭化成株式会社製)、フレミオン(登録商標、旭硝子株式会社製)等のパーフルオロカーボンスルホン酸系ポリマー、パーフルオロカーボンホスホン酸系ポリマー、トリフルオロスチレンスルホン酸系ポリマー、エチレンテトラフルオロエチレン−g−スチレンスルホン酸系ポリマー、エチレン−テトラフルオロエチレン共重合体、ポリビニリデンフルオリド−パーフルオロカーボンスルホン酸系ポリマーなどが挙げられる。耐熱性、化学的安定性などの発電性能上の観点からはこれらのフッ素系固体高分子電解質膜が好ましく用いられ、特に好ましくはパーフルオロカーボンスルホン酸系ポリマー(パーフルオロスルホン酸系ポリマー)から構成されるフッ素系固体高分子電解質膜が用いられる。 Examples of the fluorine-based solid polymer electrolyte include perfluorocarbon sulfonic acids such as Nafion (registered trademark, manufactured by DuPont), Aciplex (registered trademark, manufactured by Asahi Kasei Co., Ltd.), Flemion (registered trademark, manufactured by Asahi Glass Co., Ltd.), and the like. Polymer, perfluorocarbon phosphonic acid polymer, trifluorostyrene sulfonic acid polymer, ethylene tetrafluoroethylene-g-styrene sulfonic acid polymer, ethylene-tetrafluoroethylene copolymer, polyvinylidene fluoride-perfluorocarbon sulfonic acid polymer Etc. From the viewpoint of power generation performance such as heat resistance and chemical stability, these fluorine-based solid polymer electrolyte membranes are preferably used, particularly preferably composed of a perfluorocarbon sulfonic acid polymer (perfluorosulfonic acid polymer). A fluorine-based solid polymer electrolyte membrane is used.
炭化水素系固体高分子電解質としては、例えば、スルホン化ポリエーテルスルホン(S−PES)、スルホン化ポリアリールエーテルケトン、スルホン化ポリベンズイミダゾールアルキル、ホスホン化ポリベンズイミダゾールアルキル、スルホン化ポリスチレン、スルホン化ポリエーテルエーテルケトン(S−PEEK)、スルホン化ポリフェニレン(S−PPP)などが挙げられる。原料が安価で製造工程が簡便であり、かつ材料の選択性が高いといった製造上の観点からは、これらの炭化水素系固体高分子電解質膜が好ましく用いられる。なお、上述したイオン交換樹脂は、1種のみが単独で用いられてもよいし、2種以上が併用されてもよい。 Examples of the hydrocarbon solid polymer electrolyte include sulfonated polyethersulfone (S-PES), sulfonated polyaryletherketone, sulfonated polybenzimidazole alkyl, phosphonated polybenzimidazole alkyl, sulfonated polystyrene, and sulfonated. Examples include polyetheretherketone (S-PEEK) and sulfonated polyphenylene (S-PPP). These hydrocarbon-based solid polymer electrolyte membranes are preferably used from the viewpoint of production such that the raw materials are inexpensive, the production process is simple, and the material selectivity is high. In addition, as for the ion exchange resin mentioned above, only 1 type may be used independently and 2 or more types may be used together.
上述した固体高分子電解質膜を構成するアイオノマ以外の材料がアイオノマとして用いられてもよい。かような材料としては、例えば、高いプロトン伝導性を有する液体、固体、ゲル状材料などが利用可能であり、リン酸、硫酸、アンチモン酸、スズ酸、ヘテロポリ酸などの固体酸、リン酸などの無機酸を炭化水素系高分子化合物にドープさせたもの、一部がプロトン伝導性の官能基で置換された有機/無機ハイブリッドポリマー、高分子マトリックスにリン酸溶液や硫酸溶液を含浸させたゲル状プロトン導電性材料などが例示される。 Materials other than the ionomer constituting the solid polymer electrolyte membrane described above may be used as the ionomer. As such materials, for example, liquids, solids, and gel materials having high proton conductivity can be used, and solid acids such as phosphoric acid, sulfuric acid, antimonic acid, stannic acid, and heteropoly acid, phosphoric acid, and the like. Hydrocarbon polymer compound doped with a non-organic acid, organic / inorganic hybrid polymer partially substituted with proton conductive functional group, gel impregnated with phosphoric acid solution or sulfuric acid solution in polymer matrix An example is a proton conductive material.
固体高分子電解質膜110の厚さは、MEA100やPEFCの特性を考慮して適宜決定され、特に限定はされない。ただし、固体高分子電解質膜110の厚さは、好ましくは5〜300μmであり、より好ましくは10〜200μmであり、さらに好ましくは15〜150μmであり、特に好ましくは15〜30μmである。厚さがかような範囲内の値であると、製膜時の強度や使用時の耐久性、および使用時の出力特性のバランスが適切に制御されうる。
The thickness of the solid
[カソードガス拡散電極]
カソードガス拡散電極120cは、カソード触媒層122cとカソードガス拡散層124cとから構成される。
[Cathode gas diffusion electrode]
The cathode
カソード触媒層122cは、触媒成分が担持されてなる電極触媒、およびアイオノマを含む層である。
The
カソード触媒層122cにおいて、電極触媒は、主に固体高分子電解質膜110経由のプロトン(H+)と、外部回路経由の電子(e−)と、酸化剤ガス由来の酸素(O2)とから水を生成する反応(すなわち、酸素の還元反応)を促進する機能を有する。
In the
電極触媒は、簡単に言えば、カーボンなどからなる導電性担体の表面に、白金などの触媒成分が担持されてなる構造を有する。 Simply speaking, the electrode catalyst has a structure in which a catalyst component such as platinum is supported on the surface of a conductive carrier made of carbon or the like.
電極触媒を構成する導電性担体としては、触媒成分を所望の分散状態で担持させるのに充分な比表面積を有し、かつ、充分な電子伝導性を有するものであればよい。導電性担体(電子伝導性担体)の組成は、主成分がカーボンであることが好ましい。導電性担体の材質として、具体的には、カーボンブラック、活性炭、コークス、天然黒鉛、人造黒鉛などが挙げられる。なお、「主成分がカーボンである」とは、主成分として炭素原子を含むことをいい、炭素原子のみからなる、実質的に炭素原子からなる、の双方を含む概念である。場合によっては、燃料電池の特性を向上させるために、炭素原子以外の元素が含まれていてもよい。なお、「実質的に炭素原子からなる」とは、2〜3質量%程度以下の不純物の混入が許容されうることを意味する。 The electroconductive carrier constituting the electrode catalyst may be any one having a specific surface area sufficient to support the catalyst component in a desired dispersed state and sufficient electron conductivity. In the composition of the conductive carrier (electron conductive carrier), the main component is preferably carbon. Specific examples of the material for the conductive carrier include carbon black, activated carbon, coke, natural graphite, and artificial graphite. “The main component is carbon” means that the main component contains carbon atoms, and is a concept that includes both carbon atoms and substantially carbon atoms. In some cases, elements other than carbon atoms may be included in order to improve the characteristics of the fuel cell. Note that “substantially consisting of carbon atoms” means that contamination of about 2 to 3 mass% or less of impurities can be allowed.
導電性担体のBET比表面積は、触媒成分を高分散担持させるのに充分な比表面積であればよく、特に制限はないが、好ましくは100〜1500m2/gであり、より好ましくは200〜1000m2/gである。導電性担体の比表面積がかような範囲内の値であると、導電性担体上での触媒成分の分散性と触媒成分の有効利用率とのバランスが適切に制御されうる。 The BET specific surface area of the conductive carrier is not particularly limited as long as it is a specific surface area sufficient to carry the catalyst component in a highly dispersed manner, but is preferably 100 to 1500 m 2 / g, more preferably 200 to 1000 m. 2 / g. When the specific surface area of the conductive support is in such a range, the balance between the dispersibility of the catalyst component on the conductive support and the effective utilization rate of the catalyst component can be appropriately controlled.
導電性担体の平均粒子径についても特に制限はないが、通常は5〜200nmであり、好ましくは10〜100nm程度である。なお、「導電性担体の平均粒子径」の値としては、透過型電子顕微鏡(TEM)による一次粒子径測定法によって算出される値を採用するものとする。 Although there is no restriction | limiting in particular also about the average particle diameter of an electroconductive support | carrier, Usually, it is 5-200 nm, Preferably it is about 10-100 nm. In addition, as a value of “average particle diameter of the conductive carrier”, a value calculated by a primary particle diameter measurement method using a transmission electron microscope (TEM) is adopted.
導電性担体に担持される触媒成分は、上述した酸素の還元反応を触媒的に促進する機能を有するものであれば特に制限はなく、従来公知の触媒成分が適宜用いられうる。触媒成分として、具体的には、白金、ルテニウム、イリジウム、ロジウム、パラジウム、オスミウム、タングステン、鉛、鉄、クロム、コバルト、ニッケル、マンガン、バナジウム、モリブデン、ガリウム、アルミニウム等の金属、およびこれらの合金などが挙げられる。これらのうち、触媒活性、一酸化炭素等に対する耐被毒性、耐熱性などに優れるという観点からは、触媒成分は少なくとも白金を含むことが好ましい。この際、触媒成分としての形状としても特に制限はなく例えば、粒子状が好ましい。カソード触媒層122cにおける触媒成分として合金を使用する場合の合金の組成は、合金化する金属の種類などによって異なり、当業者によって適宜選択されうるが、好ましくは白金が30〜90原子%程度、合金化する他の金属が10〜70原子%程度である。なお、「合金」とは、一般に金属元素に1種以上の金属元素または非金属元素を加えたものであって、金属的性質をもっているものの総称である。合金の組織には、成分元素が別個の結晶となるいわば混合物である共晶合金、成分元素が完全に溶け合い固溶体となっているもの、成分元素が金属間化合物または金属と非金属との化合物を形成しているものなどがあり、本願ではいずれであってもよい。ここで、合金組成の特定は、ICP発光分析法を用いることで可能である。
The catalyst component supported on the conductive carrier is not particularly limited as long as it has a function of catalytically promoting the oxygen reduction reaction described above, and a conventionally known catalyst component can be appropriately used. Specific examples of the catalyst component include platinum, ruthenium, iridium, rhodium, palladium, osmium, tungsten, lead, iron, chromium, cobalt, nickel, manganese, vanadium, molybdenum, gallium, aluminum, and alloys thereof. Etc. Among these, the catalyst component preferably contains at least platinum from the viewpoint of excellent catalytic activity, poisoning resistance to carbon monoxide and the like, and heat resistance. In this case, the shape as the catalyst component is not particularly limited, and for example, a particulate shape is preferable. The composition of the alloy in the case of using an alloy as the catalyst component in the
触媒成分の形状や大きさは特に制限されず、従来公知の触媒成分と同様の形状および大きさが適宜採用されうるが、触媒成分の形状は、粒状であることが好ましい。そして、触媒粒子の平均粒子径は、好ましくは1〜30nmであり、より好ましくは1.5〜20nmである。触媒粒子の平均粒子径がかような範囲内の値であると、電気化学反応が進行する有効電極面積に関連する触媒利用率と担持の簡便さとのバランスが適切に制御されうる。なお、本発明において、「触媒粒子の平均粒子径」の値は、X線回折における触媒成分の回折ピークの半値幅より求められる結晶子径や、透過型電子顕微鏡像より調べられる触媒成分の粒子径の平均値として算出されうる。 The shape and size of the catalyst component are not particularly limited, and the same shape and size as those of conventionally known catalyst components can be adopted as appropriate, but the shape of the catalyst component is preferably granular. And the average particle diameter of a catalyst particle becomes like this. Preferably it is 1-30 nm, More preferably, it is 1.5-20 nm. When the average particle diameter of the catalyst particles is within such a range, the balance between the catalyst utilization rate related to the effective electrode area where the electrochemical reaction proceeds and the ease of loading can be appropriately controlled. In the present invention, the value of the “average particle diameter of the catalyst particles” is the particle diameter of the catalyst component determined from the crystallite diameter determined from the half-value width of the diffraction peak of the catalyst component in X-ray diffraction or the transmission electron microscope image. It can be calculated as an average value of diameters.
電極触媒における導電性担体と触媒成分との含有量の比は、特に制限されない。ただし、触媒成分の含有率(担持量)は、導電性担体100質量%を基準として、好ましくは10〜150質量%であり、より好ましくは25〜120質量%であり、さらに好ましくは40〜100質量%である。触媒成分の含有率が10質量%以上であると、電極触媒の触媒製能が充分に発揮され、ひいてはPEFC100の発電性能の向上に寄与しうる。一方、触媒成分の含有率が150質量%以下であると、導電性担体の表面における触媒成分どうしの凝集が抑制され、触媒成分が高分散担持されるため、好ましい。なお、上述した含有量の比の値としては、ICP発光分析法により測定される値を採用するものとする。 The ratio of the content of the conductive support and the catalyst component in the electrode catalyst is not particularly limited. However, the content (supported amount) of the catalyst component is preferably 10 to 150% by mass, more preferably 25 to 120% by mass, and further preferably 40 to 100% based on 100% by mass of the conductive carrier. % By mass. When the content of the catalyst component is 10% by mass or more, the catalyst-producing ability of the electrode catalyst is sufficiently exerted, which can contribute to the improvement of the power generation performance of PEFC100. On the other hand, the catalyst component content of 150% by mass or less is preferable because aggregation of the catalyst components on the surface of the conductive support is suppressed and the catalyst components are highly dispersed and supported. In addition, as a value of the ratio of content mentioned above, the value measured by ICP emission spectrometry shall be employ | adopted.
カソード触媒層122cは、上述した電極触媒に加えて、アイオノマをさらに含む。カソード触媒層122cに含まれるアイオノマの具体的な形態に特に制限はなく、燃料電池の技術分野において従来公知の知見が適宜参照されうる。例えば、カソード触媒層122cに含まれるアイオノマとしては、上述した固体高分子電解質膜110を構成するアイオノマが同様に用いられうる。そのため、アイオノマの具体的な形態の詳細はここでは省略する。なお、カソード触媒層122cに含まれるアイオノマは、1種単独であってもよいし、2種以上であってもよい。
The
カソード触媒層122cに含まれるアイオノマのイオン交換容量は、イオン伝導性に優れるという観点から、0.9〜1.5mmol/gであることが好ましく、1.1〜1.5mmol/gであることがより好ましい。
The ion exchange capacity of the ionomer contained in the
なお、アイオノマの「イオン交換容量」とは、アイオノマの単位乾燥質量当りのスルホン酸基のモル数を意味する。「イオン交換容量」の値は、アイオノマ分散液の分散媒を加熱乾燥等により除去して固形の高分子電解質とし、これを中和滴定することにより、算出されうる。 The “ion exchange capacity” of an ionomer means the number of moles of sulfonic acid groups per unit dry mass of the ionomer. The value of “ion exchange capacity” can be calculated by removing the dispersion medium of the ionomer dispersion by heat drying or the like to obtain a solid polymer electrolyte, and performing neutralization titration.
カソード触媒層122cにおけるアイオノマの含有量についても特に制限はない。ただし、カソード触媒層122cにおける導電性担体の含有量に対するアイオノマの含有量の比(アイオノマ/導電性担体の質量比)は、好ましくは0.5〜2.0であり、より好ましくは0.7〜1.5であり、さらに好ましくは0.9〜1.3である。アイオノマ/導電性担体の質量比が0.9以上であると、電解質膜−電極接合体の内部抵抗の抑制という観点から好ましい。一方、アイオノマ/導電性担体の質量比が2.0以下であると、フラッディングの抑制という観点から好ましい。
There is no particular limitation on the ionomer content in the
カソードガス拡散層124cは、上述したカソード触媒層122cの、固体高分子電解質膜110と対向する面に配置される。前述の通り、カソードガス拡散層122cは、圧縮弾性率の異なる少なくとも2つのガス拡散層基材が積層されてなりうる。前記ガス拡散層基材中、前記触媒層に最も近いガス拡散層基材はガス拡散層基材C(124cc)であり、セパレータに隣接して配置されたガス拡散層基材をガス拡散層基材S(124cs)である。そして、前記ガス拡散層基材S(124cs)の圧縮弾性率は、ガス拡散層基材中最も高く、かつ、厚みは最も薄い。
The cathode
カソードガス拡散層124cは、後述するセパレータの有するガス流路を介して供給された酸化剤ガスのカソード触媒層122cへの拡散を促進させる機能、および電子伝導パスとしての機能を有する。
The cathode
カソードガス拡散層124cの基材が、圧縮弾性率の異なる少なくとも2つのガス拡散層基材が積層されてなる場合、ガス拡散層基材Sの圧縮弾性率が、ガス拡散層基材中、相対的に最も高ければ特に限定されず、従来公知の知見が適宜参照されうる。カソードガス拡散層124cの基材としては、例えば、ステンレス繊維製ペーパ、カーボンペーパ、炭素製の織物、不織布、その他金属性の紙状抄紙体、フェルト、不織布といった導電性および多孔質性を有するシート状材料が挙げられる。ここで、圧縮弾性率が異なる2つのガス拡散層基材の組み合わせの具体例としては、ガス拡散層基材S:ガス拡散層基材Cとして、それぞれ、ステンレス繊維製ペーパ:ステンレス繊維製ペーパ、カーボンペーパ:カーボン不織布、カーボンペーパ:カーボンペーパ、金属製抄紙体:カーボンペーパ、金属製抄紙体:カーボン不織布など、また、これらに表面処理を行ったものが挙げられる。中でも、発電性能向上の観点で、ステンレス繊維製ペーパ:ステンレス繊維製ペーパであると、電気抵抗低減の点で好ましい。コストの観点で、カーボンペーパ:カーボン不織布であると、汎用性、作業性の点で好ましい。
When the base material of the cathode
また、圧縮弾性率が異なる3つのガス拡散層基材の組み合わせの具体例としては、ガス拡散層基材S:ガス拡散層基材X:ガス拡散層基材Cとして、それぞれ、ステンレス繊維製ペーパ:カーボンペーパ:カーボン不織布、カーボンペーパ:カーボン不織布:カーボンペーパ、カーボンペーパ:カーボンクロス:カーボン不織布、ステンレス繊維製ペーパ:カーボン不織布:カーボンペーパ、などが挙げられる。中でも、耐久性の観点で、ステンレス繊維製ペーパ:カーボンペーパ:カーボン不織布、カーボンペーパ:カーボン不織布:カーボンペーパであると、寸法変化にともなう面圧変動低減の点で好ましい。圧縮弾性率が異なる3つのガス拡散層基材の組み合わせである場合、許容寸法変化量拡大、荷重調整機構の更なる簡略化のような効果もある。 Further, specific examples of combinations of three gas diffusion layer base materials having different compressive elastic moduli include: gas diffusion layer base material S: gas diffusion layer base material X: gas diffusion layer base material C; : Carbon paper: Carbon non-woven fabric, Carbon paper: Carbon non-woven fabric: Carbon paper, Carbon paper: Carbon cloth: Carbon non-woven fabric, Stainless steel paper: Carbon non-woven fabric: Carbon paper, etc. Among them, from the viewpoint of durability, stainless steel paper: carbon paper: carbon non-woven fabric, carbon paper: carbon non-woven fabric: carbon paper is preferable from the viewpoint of reducing surface pressure fluctuation accompanying dimensional change. In the case of a combination of three gas diffusion layer base materials having different compressive elastic moduli, there are effects such as an increase in allowable dimensional change and further simplification of the load adjusting mechanism.
カソードガス拡散層124cは、燃料電池の所望の運転条件、出力特性、構成材料の特性などから適宜、撥水処理、親水処理を行ったものを採用しても良い。
The cathode
カソードガス拡散電極120cは、必要に応じて、他の部材(層)をさらに含んでもよい。例えば、カソード触媒層122cに存在する過剰な水分の排出を促進させてフラッディング現象の発生を抑制するために、カソードガス拡散層124cは、カーボン粒子を含むカソードマイクロポーラス層140cを基材の触媒層側に有してもよい。
The cathode
かかるカーボン粒子は特に限定されず、電子伝導性物質としてカーボンブラック、黒鉛、膨張黒鉛などの従来公知の材料が適宜採用されうる。なかでも、電子伝導性に優れ、比表面積が大きいことから、オイルファーネスブラック、チャネルブラック、ランプブラック、サーマルブラック、アセチレンブラックなどのカーボンブラックが好ましく用いられうる。カーボン粒子の平均粒子径は、10〜100nm程度とするのがよい。これにより、毛細管力による高い排水性が得られるとともに、触媒層との接触性も向上させることが可能となる。 Such carbon particles are not particularly limited, and conventionally known materials such as carbon black, graphite, and expanded graphite can be appropriately employed as the electron conductive substance. Among them, carbon black such as oil furnace black, channel black, lamp black, thermal black, acetylene black and the like can be preferably used because of excellent electron conductivity and a large specific surface area. The average particle diameter of the carbon particles is preferably about 10 to 100 nm. Thereby, while being able to obtain the high drainage property by capillary force, it becomes possible to improve contact property with a catalyst layer.
カソードマイクロポーラス層140cは撥水剤(導電性撥水層)を含んでもよい。撥水剤としては、例えば、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)、ポリヘキサフルオロプロピレン、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体(FEP)などのフッ素系の高分子材料、ポリプロピレン、ポリエチレンなどが挙げられる。なかでも、撥水性、電極反応時の耐食性などに優れることから、フッ素系の高分子材料(例えば、ポリテトラフルオロエチレン)が好ましく用いられうる。
The
[アノードガス拡散電極]
アノードガス拡散電極120aは、アノード触媒層122aとアノードガス拡散層124aとから構成される。
[Anode gas diffusion electrode]
The anode
アノード触媒層122aは、触媒成分が担持されてなる電極触媒、およびアイオノマを含む層である。
The
アノード触媒層122aにおいて、電極触媒は、燃料ガス由来の水素(H2)を、プロトン(H+)および電子(e−)とする反応(すなわち、水素の酸化反応)を促進する機能を有する。
In the
アノード触媒層122aを構成する電極触媒やアイオノマの具体的な形態については、カソード触媒層122cの欄において上述した形態が同様に採用されうる。従って、ここでは詳細な説明を省略する。なお、カソード触媒層122cとアノード触媒層122aとで、触媒層を構成する電極触媒やアイオノマの具体的な形態は同じであってもよいし、異なってもよい。
As for the specific forms of the electrode catalyst and ionomer constituting the
本実施形態のMEA100において、アノード触媒層122aの平均厚み(Ya)は、カソード触媒層122cの平均厚み(Yc)よりも小さいことが好ましい。YaがYcよりも小さいことにより、カソード触媒層122cへのプロトン伝導性が向上する。具体的には、Ya/Ycは、好ましくは0.1〜0.9であり、より好ましくは0.2〜0.5である。なお、アノード触媒層122aの平均厚みは、好ましくは1.0〜20.0μmであり、より好ましくは2.0〜5.0μmである。なお、触媒層の厚みの値としては、走査型電子顕微鏡(SEM)により触媒層断面を観察して得られた値を採用するものとする。
In the
アノードガス拡散電極120aを構成するアノードガス拡散層124aの具体的な形態については、カソードガス拡散電極120cを構成するカソードガス拡散層124cの欄において上述した形態が同様に採用されうる。従って、ここでは詳細な説明を省略する。また、アノードガス拡散電極120aが、必要に応じてアノードマイクロポーラス層140aなどの部材(層)をさらに含んでもよいこともまた、上述したカソードガス拡散電極120cと同様である。
As for a specific form of the anode
ここまでは、本発明のMEAをPEFCを代表とする燃料電池に使用することについて説明したが、本発明のMEAはこの用途に限定されない。 So far, the use of the MEA of the present invention for a fuel cell represented by PEFC has been described, but the MEA of the present invention is not limited to this application.
本発明は、燃料電池が所望する電圧を得られるように、セパレータを介してMEAを複数積層して直列に繋いだスタックを形成してもよい。燃料電池の形状などは、特に制限されず、所望する電圧などの電池特性が得られるように適宜決定すればよい。 In the present invention, a stack in which a plurality of MEAs are stacked and connected in series via a separator may be formed so that the fuel cell can obtain a desired voltage. The shape of the fuel cell is not particularly limited, and may be appropriately determined so that desired battery characteristics such as voltage can be obtained.
また、本発明は、上述した本発明のPEFCや燃料電池スタックを搭載した車両も、本発明の技術的範囲に包含される。本発明のPEFCや燃料電池スタックは、低加湿〜高加湿運転、低温〜高温運転で安定した発電性能を示すと共に、燃料電池使用期間中に安定した性能を示し、出力性能に非常に優れているため、高出力を要求される車両用途に適している。また、家庭用燃料電池、電子機器用燃料電池など幅広く適用可能である。 The present invention also includes a vehicle equipped with the above-described PEFC or fuel cell stack of the present invention. The PEFC and fuel cell stack of the present invention exhibit stable power generation performance in low humidification to high humidification operation and low temperature to high temperature operation, and also show stable performance during the fuel cell usage period, and are excellent in output performance. Therefore, it is suitable for vehicle applications that require high output. Further, it can be widely applied to household fuel cells, electronic device fuel cells, and the like.
以下に、実施例および比較例によって本発明をより具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。 Hereinafter, the present invention will be described more specifically with reference to Examples and Comparative Examples, but the present invention is not limited to these.
<テンティング割合>
テンティング割合(%)は、上記の通り、下記の数式により算出される。
<Tenting ratio>
The tenting ratio (%) is calculated by the following mathematical formula as described above.
テンティング量mおよび流路深さLは、ガス拡散層基材Sと使用するガス流路付セパレータを接触させ荷重を印加した際のGDLおよびセパレータの断面を、測長機能付き光学顕微鏡によって観察することにより算出した。 Tenting amount m and flow path depth L were observed with an optical microscope with a length measurement function when the gas diffusion layer base material S and the separator with a gas flow path to be used were brought into contact with each other and a load was applied. It was calculated by doing.
<圧縮試験(圧縮弾性率、圧縮ひずみの差)・引張試験(破断伸び)>
市販の装置(Instron社製万能材料試験機 5867型)を用い、ガス拡散層(GDL)への印加荷重とその際の変位を計測することにより測定した。
<Compression test (compression elastic modulus, difference in compression strain) / tensile test (elongation at break)>
The measurement was performed by measuring the applied load to the gas diffusion layer (GDL) and the displacement at that time using a commercially available device (Universal Material Tester Model 5867 manufactured by Instron).
測定条件は、以下の通りである。 The measurement conditions are as follows.
上記の測定条件で、圧縮弾性率(厚み方向)、圧縮ひずみの差および破断伸び(面方向)をそれぞれ測定した。 Under the above measurement conditions, the compression modulus (thickness direction), the difference in compression strain, and the elongation at break (plane direction) were measured.
<透気度>
JIS(1998年) P8117 ガーレ試験機法に記載された、透気抵抗度に相当する値として測定した。 具体的には、市販の装置(PMI社製 Automated Perm Porometer CFP 1200)を用いて、GDL両面に印加した圧力差とその時GDLの厚み方向に流れたガス流量を計測し、ガーレーに換算した値を算出した。
<Air permeability>
Measured as a value corresponding to the degree of air resistance described in JIS (1998) P8117 Gurley tester method. Specifically, using a commercially available device (Automated Perm Porometer CFP 1200 manufactured by PMI), the pressure difference applied to both sides of the GDL and the gas flow rate flowing in the thickness direction of the GDL at that time were measured, and the value converted to Gurley was calculated. Calculated.
<実施例1>
1.電極触媒層の作製
カーボンブラック(三菱化学株式会社製 ケッチェンブラック BET比表面積 800m2/g、平均粒子径 40nm)を電子伝導性担体として用い、この電子伝導性担体に平均粒子径2〜3nmの白金粒子を41wt%担持した電極触媒を準備した。
<Example 1>
1. Preparation of an electrode catalyst layer Carbon black (Ketjen Black manufactured by Mitsubishi Chemical Corporation BET specific surface area 800 m 2 / g, average particle size 40 nm) was used as an electron conductive carrier, and this electron conductive carrier had an average particle size of 2 to 3 nm. An electrode catalyst carrying 41 wt% of platinum particles was prepared.
この電極触媒、純水、およびプロトン伝導性電解質溶液(DuPont社製 Nafion溶液DE520、電解質含量5wt%)を、電極触媒の導電性担体とプロトン伝導性電解質との質量比(プロトン伝導性電解質の質量/導電性担体の質量)を0.79として、混合、攪拌、および脱泡することにより電極触媒スラリーを調製した。 The electrode catalyst, pure water, and a proton conductive electrolyte solution (Nafion solution DE520 manufactured by DuPont, electrolyte content 5 wt%) are mixed into a mass ratio of the electrocatalyst conductive support to the proton conductive electrolyte (the mass of the proton conductive electrolyte). The electrocatalyst slurry was prepared by mixing, stirring, and defoaming with a mass of / conductive support) of 0.79.
この調製した電極触媒スラリーを、テフロンシート上に、スクリーン印刷法を用いて塗布し電極触媒層を作製した。このとき、単位面積あたりのPt質量が0.4mg/cm2、電極触媒層の面積を5cm×5cm、電極触媒層の厚さ10μm、となるように触媒スラリー塗布条件を調整した。 The prepared electrode catalyst slurry was applied on a Teflon sheet using a screen printing method to produce an electrode catalyst layer. At this time, catalyst slurry application conditions were adjusted so that the Pt mass per unit area was 0.4 mg / cm 2 , the area of the electrode catalyst layer was 5 cm × 5 cm, and the thickness of the electrode catalyst layer was 10 μm.
2.ガス拡散層の作製
厚み200μmのステンレス繊維製ペーパに、燃料電池運転環境下で発生することが想定される面圧以上であらかじめ圧縮処理を行い、厚み70μmにして、1MPa点での圧縮弾性率を60MPaとし、7cm角に打ち抜き、それをガス拡散層基材Sとした。このとき、破断ひずみは、0.9%であった。また、厚み500μmのステンレス繊維製ペーパに、上記と同様に圧縮処理を行い、厚み250μmにして、1MPa点での圧縮弾性率 40MPaとし、7cm角に打ち抜き、それをガス拡散層基材Cとした。なお、ガス拡散層基材Cの荷重印加方向の圧縮ひずみの差と除荷方向の圧縮ひずみの差は、1MPa点で比較すると0.04であった。
2. Preparation of Gas
続いて、このガス拡散層基材Sと、ガス拡散層基材Cに撥水処理を行なうために、各ガス拡散層を、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)分散液(ダイキン工業株式会社製 D−1、PTFE60質量%含有、を純水で希釈した溶液)中に、5分浸漬後、引き上げて液切りを行なった。その後、大気中、60℃、30分間乾燥させた。 Subsequently, in order to perform water repellency treatment on the gas diffusion layer base material S and the gas diffusion layer base material C, each gas diffusion layer was treated with a polytetrafluoroethylene (PTFE) dispersion (Daikin Industries, Ltd., D- 1, a PTFE solution containing 60% by mass was diluted with pure water), and after dipping for 5 minutes, it was pulled up and drained. Then, it was dried in the atmosphere at 60 ° C. for 30 minutes.
続いて、この撥水処理されたガス拡散層Cの表面にマイクロポーラス層(カーボン粒子層、導電性撥水層)を形成するために、カーボンブラック(CABOT社製 VULCAN XC−72R)と、上記で用いたのと同じPTFE分散液および純水をホモジナイザーにて3時間混合分散し、スラリー化した。得られたスラリーを、先に撥水処理したガス拡散層基材Cの一方の表面にドクターブレード法を用いて均一に塗布した。その後、同様に大気中、60℃、30分間乾燥させた後、撥水剤を溶着させて固定させるために、ガス拡散層基材Sおよびマイクロポーラス層が塗布されたガス拡散層基材Cを、350℃、30分間焼成した。その後、マイクロポーラス層が塗布されたガス拡散層基材Cおよびガス拡散層基材Sを積層した状態で5cm角に打ち抜いた。これにより、ガス拡散層基材Sとガス拡散層基材Cが積層されガス拡散層基材C上にマイクロポーラス層(厚さ50μm)が形成されたガス拡散層を得た。 Subsequently, in order to form a microporous layer (carbon particle layer, conductive water-repellent layer) on the surface of the gas diffusion layer C subjected to the water-repellent treatment, carbon black (VULCAN XC-72R manufactured by CABOT) and the above The same PTFE dispersion and pure water as used in 1 were mixed and dispersed in a homogenizer for 3 hours to form a slurry. The obtained slurry was uniformly applied to one surface of the gas diffusion layer base material C which had been previously subjected to water repellent treatment, using a doctor blade method. Thereafter, similarly, after drying at 60 ° C. for 30 minutes in the atmosphere, the gas diffusion layer base material C coated with the gas diffusion layer base material S and the microporous layer is used to weld and fix the water repellent. Baked at 350 ° C. for 30 minutes. Thereafter, the gas diffusion layer base material C and the gas diffusion layer base material S coated with the microporous layer were punched into a 5 cm square. Thereby, the gas diffusion layer base material S and the gas diffusion layer base material C were laminated | stacked, and the gas diffusion layer in which the microporous layer (thickness 50 micrometers) was formed on the gas diffusion layer base material C was obtained.
3.膜電極接合体および単セルの組立て
電解質膜(Dupont社製 Nafion112 厚さ50μm、面積10cm×10cm)の両面に、電極触媒層が塗布されたテフロンシートを配置し、150℃、10分間、2.0MPaの圧力でホットプレスした後、テフロンシートのみを剥がすことにより電極触媒層付き電解質膜を作製した。
3. 1. Assembly of membrane electrode assembly and single cell A Teflon sheet coated with an electrode catalyst layer is placed on both sides of an electrolyte membrane (Dafon Nafion 112, thickness 50 μm, area 10 cm × 10 cm) at 150 ° C. for 10 minutes. After hot pressing at a pressure of 0 MPa, only the Teflon sheet was peeled off to produce an electrolyte membrane with an electrode catalyst layer.
続いて、電極触媒層付き電解質膜の両面に、先に準備したガス拡散層をマイクロポーラス層内側となるように配置し、膜電極接合体とした。 Subsequently, the previously prepared gas diffusion layer was disposed on both sides of the electrolyte membrane with an electrode catalyst layer so as to be inside the microporous layer, thereby forming a membrane electrode assembly.
得られた膜電極接合体の両面にシール材、ガス流路付きガスセパレータを配置し所定の面圧(1.0MPa)になるように締め付け、図1に示すような燃料電池の単セルを作製した。 A sealing material and a gas separator with a gas flow path are arranged on both sides of the obtained membrane electrode assembly and tightened to a predetermined surface pressure (1.0 MPa) to produce a single cell of a fuel cell as shown in FIG. did.
図1に示すように、実施例1の燃料電池は、電解質膜−電極接合体100と、電解質膜−電極接合体100を挟持する、カソード側セパレータ150cおよびアノード側セパレータ150aからなる1対のセパレータと、を有する。前記MEA100は、プロトン導電性を有する電解質膜110と、前記電解質膜110の一方の面に配置された、カソード触媒層122cおよびカソードガス拡散層124cを含むカソードガス拡散電極120aと、前記電解質膜110の他方の面に配置された、アノード触媒層122cおよびアノードガス拡散層124aを含むアノードガス拡散電極120aと、を有する。各触媒層(122a、122c)は、電子伝導性担体としてのカーボンブラックおよび触媒粒子としての白金粒子、プロトン伝導性電解質としてパーフルオロスルホン酸系電解質が含まれたものが配置されている。また、カソードガス拡散層124cおよびアノードガス拡散層124aは、厚みおよび圧縮弾性率の異なる2つのガス拡散層基材(124cs,124cc、124ac、124as)により構成されている。また、導電性撥水層(マイクロポーラス層)(140a、140c)が、各触媒層(122a、122c)に接するように設置されている。
As shown in FIG. 1, the fuel cell of Example 1 includes an electrolyte membrane-
<実施例2>
ガス拡散層基材Sとして、カーボンペーパ(厚み130μm、1MPa点での圧縮弾性率約25MPa、破断伸び 0.4%)を用い、ガス拡散層基材Cとして、カーボン不織布(厚み200μm、1MPa点での圧縮弾性率17MPa 圧縮ひずみの差 0.03)を用いた以外は、実施例1と同様に行った。実施例2の燃料電池も、実施例1と同様の構造である。
<Example 2>
As the gas diffusion layer base material S, carbon paper (thickness 130 μm, compressive elastic modulus at about 1 MPa point, about 25 MPa, elongation at break 0.4%) is used, and as the gas diffusion layer base material C, carbon non-woven fabric (
100 膜電極接合体(MEA)、
110 固体高分子電解質膜、
120a アノードガス拡散電極、
120c カソードガス拡散電極、
122a アノード触媒層、
122c カソード触媒層、
124a アノードガス拡散層、
124c カソードガス拡散層、
140a アノードマイクロポーラス層、
140c カソードマイクロポーラス層、
150a アノード側セパレータ、
150c カソード側セパレータ、
152a 燃料ガス流路、
152c 酸化剤ガス流路。
100 membrane electrode assembly (MEA),
110 solid polymer electrolyte membrane,
120a anode gas diffusion electrode,
120c cathode gas diffusion electrode,
122a anode catalyst layer,
122c cathode catalyst layer,
124a anode gas diffusion layer,
124c cathode gas diffusion layer,
140a anode microporous layer,
140c cathode microporous layer,
150a anode side separator,
150c cathode side separator,
152a fuel gas flow path,
152c Oxidant gas flow path.
Claims (8)
前記カソードガス拡散層または前記アノードガス拡散層が、圧縮弾性率の異なる少なくとも2つのガス拡散層基材が積層されてなり、前記ガス拡散層基材中、セパレータに隣接して配置されたガス拡散層基材をガス拡散層基材Sとしたときに、前記ガス拡散層基材Sの圧縮弾性率が最も高く、かつ、厚みは最も薄い、電解質膜−電極接合体。 An electrolyte membrane, a cathode gas diffusion electrode including a cathode catalyst layer and a cathode gas diffusion layer disposed on one surface of the electrolyte membrane, and an anode catalyst layer and an anode gas disposed on the other surface of the electrolyte membrane An electrolyte membrane-electrode assembly having an anode gas diffusion electrode including a diffusion layer,
The cathode gas diffusion layer or the anode gas diffusion layer is formed by laminating at least two gas diffusion layer substrates having different compressive elastic moduli, and the gas diffusion disposed adjacent to the separator in the gas diffusion layer substrate. An electrolyte membrane-electrode assembly in which when the layer base material is a gas diffusion layer base material S, the gas diffusion layer base material S has the highest compression elastic modulus and the smallest thickness.
ガス拡散層基材Cの圧縮弾性率に対するガス拡散層基材Sの圧縮弾性率の比が、1.3〜5.0である、請求項1に記載の電解質膜−電極接合体。 When the gas diffusion layer base material C is the gas diffusion layer base material closest to the catalyst layer in the gas diffusion layer base material,
The electrolyte membrane-electrode assembly according to claim 1, wherein the ratio of the compression elastic modulus of the gas diffusion layer base material S to the compression elastic modulus of the gas diffusion layer base material C is 1.3 to 5.0.
前記電解質膜−電極接合体を挟持する、カソード側セパレータおよびアノード側セパレータからなる1対のセパレータと、
を有する、燃料電池。 The electrolyte membrane-electrode assembly according to any one of claims 1 to 5,
A pair of separators comprising a cathode side separator and an anode side separator sandwiching the electrolyte membrane-electrode assembly;
A fuel cell.
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