JP2013020843A - Gas diffusion electrode and fuel cell using the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、固体高分子型燃料電池に用いられるガス拡散電極およびそれを用いた燃料電池に関する。 The present invention relates to a gas diffusion electrode used for a polymer electrolyte fuel cell and a fuel cell using the same.
固体高分子型燃料電池は、水素等の燃料ガスと酸素等の酸化ガスを電気化学的に反応させることにより起電力を得る装置であり、前記固体高分子型燃料電池には、水素イオン(プロトン)を選択的に伝導する高分子電解質膜を有する。また、高分子電解質膜の両面には、内側から貴金属系触媒を担持したカーボン粉末を主成分とする触媒層及びガス拡散電極基材とを有する2組のガス拡散電極が接合されている。 A polymer electrolyte fuel cell is an apparatus that obtains an electromotive force by electrochemically reacting a fuel gas such as hydrogen and an oxidizing gas such as oxygen. The polymer electrolyte fuel cell includes a hydrogen ion (proton). And a polymer electrolyte membrane that selectively conducts. Further, two sets of gas diffusion electrodes each having a catalyst layer mainly composed of carbon powder carrying a noble metal catalyst and a gas diffusion electrode substrate are joined to both surfaces of the polymer electrolyte membrane.
このような高分子電解質膜と2組のガス拡散電極からなる接合体は膜−電極接合体(MEA: Membrane Electrode Assembly)と呼ばれている。また、MEAの両外側には、燃料ガスまたは酸化ガスを供給し、かつ生成ガスおよび過剰ガスを排出することを目的とするガス流路を形成したセパレーターが設置されている。 Such a joined body composed of a polymer electrolyte membrane and two sets of gas diffusion electrodes is called a membrane-electrode assembly (MEA). Further, on both outer sides of the MEA, separators are provided in which gas flow paths for supplying fuel gas or oxidizing gas and for discharging generated gas and excess gas are formed.
ガス拡散電極は、主に次の3つの機能が要求される。第一の機能は、その外側に配置されたセパレーターに形成されたガス流路から触媒層中の貴金属系触媒に均一に燃料ガスまたは酸化ガスを供給する機能である。第2の機能は、触媒層での反応により生成した水を排出する機能および電解質膜を乾燥から防ぐ保水機能を両立する水分管理機能である。第3の機能は、触媒層での反応に必要な電子または触媒層での反応により生成される電子をセパレーターへ導電する機能である。これらの機能を充足する基材としては、通常、炭素質材料からなる多孔質構造を有する基材が使用される。 The gas diffusion electrode mainly requires the following three functions. The first function is a function of uniformly supplying the fuel gas or the oxidizing gas to the noble metal-based catalyst in the catalyst layer from the gas flow path formed in the separator disposed outside the first function. The second function is a moisture management function that achieves both a function of discharging water generated by the reaction in the catalyst layer and a water retention function for preventing the electrolyte membrane from drying. The third function is a function of conducting electrons necessary for the reaction in the catalyst layer or electrons generated by the reaction in the catalyst layer to the separator. As a base material satisfying these functions, a base material having a porous structure made of a carbonaceous material is usually used.
多孔質構造を有する基材としては、炭素短繊維を抄造後、有機高分子で結着させ、これを高温で焼成して有機高分子を炭素化させたペーパー状の炭素/炭素複合体からなるものが知られている。また、発電中の生成水の滞留によって起こる電圧低下を防止するため、細孔径の異なる多孔質材料を張り合わせて使用することが知られている(特許文献1参照)。 The base material having a porous structure is made of a paper-like carbon / carbon composite obtained by making a short carbon fiber, binding it with an organic polymer, and firing it at a high temperature to carbonize the organic polymer. Things are known. Moreover, in order to prevent the voltage drop which arises by the retention of the produced water during electric power generation, it is known to use together the porous material from which a pore diameter differs (refer patent document 1).
しかしながら、特許文献1に開示されている多孔質炭素シートを用いた燃料電池では、生成水の排水には優れるが、保水機能がないため、電池内部の湿度が低い等、運転条件によっては高分子電解質膜が乾燥してしまい、十分な起電力が得られない傾向にあった。 However, the fuel cell using the porous carbon sheet disclosed in Patent Document 1 is excellent in drainage of generated water, but has no water retention function, and therefore, depending on operating conditions such as low humidity inside the battery, the polymer The electrolyte membrane was dried, and there was a tendency that a sufficient electromotive force could not be obtained.
本発明は、前記のような問題点を克服し、発電時に生成水の排水機能が高く及び高分子電化質膜の乾燥を防ぐ保水機能に優れたガス拡散電極とそれを用いた燃料電池を提供することを目的とする。 The present invention overcomes the above-described problems, and provides a gas diffusion electrode having a high drainage function of generated water during power generation and an excellent water retention function that prevents drying of the polymer electrolyte membrane, and a fuel cell using the gas diffusion electrode The purpose is to do.
前記課題は以下の発明〔1〕〜〔6〕によって解決される。 The above problems are solved by the following inventions [1] to [6].
〔1〕炭素質多孔体を用いた固体高分子型燃料電池用ガス拡散電極であって、セパレーターとの接触面上に溝を設けた固体高分子型燃料電池用ガス拡散電極。 [1] A gas diffusion electrode for a polymer electrolyte fuel cell using a carbonaceous porous body, wherein a groove is provided on a contact surface with the separator.
〔2〕セパレーターとの接触面上に、幅が0.1〜2.0mm、深さ5〜100μmの溝を0.5〜2.0mmピッチで設けた上記〔1〕に記載のガス拡散電極。 [2] The gas diffusion electrode according to [1], wherein grooves having a width of 0.1 to 2.0 mm and a depth of 5 to 100 μm are provided on the contact surface with the separator at a pitch of 0.5 to 2.0 mm. .
〔3〕溝が、抄紙体にウォータージェットパンチング法を適用することにより形成されている上記〔1〕又は〔2〕に記載のガス拡散電極。 [3] The gas diffusion electrode according to [1] or [2], wherein the groove is formed by applying a water jet punching method to the paper body.
〔4〕溝の形状が正弦波形状である上記〔1〕乃至〔3〕のいずれかに記載のガス拡散電極。 [4] The gas diffusion electrode according to any one of [1] to [3], wherein the groove has a sine wave shape.
〔5〕上記〔1〕乃至〔4〕のいずれかに記載のガス拡散電極を用いた固体高分子型燃料電池。 [5] A polymer electrolyte fuel cell using the gas diffusion electrode according to any one of [1] to [4].
〔6〕上記〔1〕乃至〔4〕のいずれかに記載のガス拡散電極を、溝を有する面がセパレーターと向き合うように配置した固体高分子型燃料電池。 [6] A polymer electrolyte fuel cell in which the gas diffusion electrode according to any one of [1] to [4] is disposed so that a surface having a groove faces a separator.
本発明によれば、発電時に生成水の排水機能が高く及び高分子電化質膜の乾燥を防ぐ保水機能に優れたガス拡散電極とそれを用いた燃料電池を製造することができる。 According to the present invention, it is possible to manufacture a gas diffusion electrode that has a high drainage function of generated water during power generation and an excellent water retention function that prevents drying of the polymer electrolyte membrane, and a fuel cell using the gas diffusion electrode.
本発明は、炭素質多孔体を用いた固体高分子型燃料電池用ガス拡散電極であって、セパレーターとの接触面上に溝を設けて反応ガスの流れを制御する流路を形成した固体高分子型燃料電池用ガス拡散電極である。以下、詳細に記載する。 The present invention relates to a gas diffusion electrode for a polymer electrolyte fuel cell using a carbonaceous porous body, in which a groove is provided on a contact surface with a separator to form a flow path for controlling the flow of a reaction gas. It is a gas diffusion electrode for molecular fuel cells. Details will be described below.
固体高分子型燃料電池のガス拡散電極に持ちられる炭素質多孔体としては、例えば、炭素短繊維が炭素により結着された炭素質多孔体が挙げられる。ここで、炭素短繊維とは炭素繊維を任意の繊維長にカットしたものである。炭素短繊維の長さは、2〜12mmが好ましく、3〜9mmがさらに好ましい。この範囲内であると抄紙時の分散性とガス拡散電極としての機械的強度が高くなる。 Examples of the carbonaceous porous body held in the gas diffusion electrode of the polymer electrolyte fuel cell include a carbonaceous porous body in which short carbon fibers are bound by carbon. Here, the carbon short fiber is a carbon fiber cut into an arbitrary fiber length. The length of the short carbon fiber is preferably 2 to 12 mm, and more preferably 3 to 9 mm. Within this range, dispersibility during papermaking and mechanical strength as a gas diffusion electrode are increased.
炭素短繊維としては、その原料によらず用いることができるが、ポリアクリロニトリル(以後PANと略す。)系炭素繊維、ピッチ系炭素繊維、レーヨン系炭素繊維、フェノール系炭素繊維から選ばれる1つ以上の炭素繊維を含むことが好ましく、PAN系炭素繊維あるいはピッチ系炭素繊維を含むことがより好ましい。 The short carbon fiber can be used regardless of the raw material, but one or more selected from polyacrylonitrile (hereinafter abbreviated as PAN) carbon fiber, pitch carbon fiber, rayon carbon fiber, and phenolic carbon fiber. It is preferable that the carbon fiber is included, and it is more preferable that the PAN-based carbon fiber or the pitch-based carbon fiber is included.
炭素短繊維の平均直径は、3〜30μm程度が好ましく、4〜20μmがより好ましく、4〜8μmがさらに好ましい。この範囲内であるとガス拡散電極としての表面平滑性と導電性がよい。 The average diameter of the short carbon fibers is preferably about 3 to 30 μm, more preferably 4 to 20 μm, and still more preferably 4 to 8 μm. Within this range, the surface smoothness and conductivity as a gas diffusion electrode are good.
炭素短繊維を互いに結着させるための炭素材としては、樹脂を炭素化して得られる炭素材や、有機繊維を炭素化して得られる炭素材が挙げられる。炭素化する樹脂としては、炭素化した段階でガス拡散電極の炭素繊維を結着することのできる公知の樹脂から適宜選んで用いることができる。炭素化後に導電性物質として残存しやすいという観点から、フェノール樹脂、エポキシ樹脂、フラン樹脂、ピッチ等が好ましく、加熱による炭素化の際に炭化率の高いフェノール樹脂が特に好ましい。炭素化する有機繊維としては、長繊維状の炭素繊維前駆体繊維を適当な長さにカットした炭素繊維前駆体短繊維や、例えば直径100μm以下の繊維状の幹から、直径が数μm以下(例えば0.1〜3μm)のフィブリルが多数分岐した構造を有する炭素前駆体繊維(b´−1)(以下単に「繊維(b´−1)」という場合がある。)や、叩解によってフィブリル化する炭素繊維前駆体短繊維(b´−2)(以下単に「繊維(b´−2)」などのフィブリル状炭素前駆体繊維(b´)が挙げられる。 Examples of the carbon material for binding the short carbon fibers to each other include a carbon material obtained by carbonizing a resin and a carbon material obtained by carbonizing an organic fiber. As the resin to be carbonized, a known resin that can bind the carbon fiber of the gas diffusion electrode at the stage of carbonization can be appropriately selected and used. From the viewpoint of easily remaining as a conductive substance after carbonization, a phenol resin, an epoxy resin, a furan resin, pitch, and the like are preferable, and a phenol resin having a high carbonization rate is particularly preferable when carbonized by heating. As the organic fiber to be carbonized, a carbon fiber precursor short fiber obtained by cutting a long carbon fiber precursor fiber into an appropriate length, or a fibrous trunk having a diameter of 100 μm or less, for example, a diameter of several μm or less ( For example, carbon precursor fibers (b′-1) having a structure in which a large number of fibrils of 0.1 to 3 μm are branched (hereinafter sometimes referred to simply as “fibers (b′-1)”), or fibrillation by beating. Carbon fiber precursor short fibers (b′-2) (hereinafter simply referred to as “fibers (b′-2)”) and the like fibrillated carbon precursor fibers (b ′).
炭素材の炭素化は、不活性ガス中において1500〜2200℃で焼成することで行うことができる。 Carbonization of the carbon material can be performed by firing at 1500 to 2200 ° C. in an inert gas.
本発明の炭素質多孔体は、セパレーターとの接触面上に溝を設けた固体高分子型燃料電池用ガス拡散電極である。炭素質多孔体の反応ガスとの接触面上に設けられた溝は、反応ガスの流れを制御する流路の役割をはたす。ここで、流路とは、一般的な燃料電池において、燃料ガスや酸化ガス(これらをあわせて「反応ガス」という)を流入・排出させるだけでなく、反応ガスの流れを制御して効率よく反応させるとともに、発電時に発生した生成水の排出などの役割を担う。従って、流路(溝)はガス拡散電極がセパレーターとの接触面上に形成する必要がある。 The carbonaceous porous body of the present invention is a gas diffusion electrode for a polymer electrolyte fuel cell in which a groove is provided on a contact surface with a separator. The groove provided on the contact surface of the carbonaceous porous body with the reaction gas serves as a flow path for controlling the flow of the reaction gas. Here, the flow path means not only the flow of fuel gas and oxidant gas (collectively referred to as “reaction gas”) in general fuel cells, but also the flow of reaction gas is controlled efficiently. In addition to reacting, it plays a role such as discharge of generated water generated during power generation. Accordingly, the flow path (groove) needs to be formed on the contact surface of the gas diffusion electrode with the separator.
流路を有するガス拡散電極を製造するためには、炭素化後のガス拡散電極に微細な機械加工などにより溝を設けて流路を形成する方法がある。溝を設ける際には、ガス拡散電極上に凹部を設けることにより溝を形成してもよいし、凸を設けることにより溝を形成してもよいし、凹部と凸部を設けて溝を形成してもよい。具体的には基材が柔軟性を有している抄紙時に行うウォータージェットパンチング法などの高圧液体噴射法、スチームジェットパンチング法などの高圧気体噴射法、高圧水を打ち付けて行うウォータージェットパンチング法、高圧スチームにより行うスチームジェット法、ニードルパンチング法などの機械交絡法或いはこれらの組み合わせによる方法を用いることができる。 In order to manufacture a gas diffusion electrode having a flow path, there is a method of forming a flow path by providing grooves by fine machining or the like in the gas diffusion electrode after carbonization. When providing the groove, the groove may be formed by providing a concave portion on the gas diffusion electrode, the groove may be formed by providing a convex, or the groove is formed by providing the concave and convex portions. May be. Specifically, a high-pressure liquid injection method such as a water jet punching method performed during paper making when the substrate has flexibility, a high-pressure gas injection method such as a steam jet punching method, a water jet punching method performed by striking high-pressure water, A mechanical entanglement method such as a steam jet method or a needle punching method performed by high-pressure steam, or a combination of these methods can be used.
炭素化後に機械加工を行う方法では、ガス拡散電極は切削時に炭素粉が生じる問題が生じ、ニードルパンチング法では炭素短繊維が破断してしまう恐れがある。一方でウォータージェットパンチング法、高圧スチームにより行うスチームジェット法を用いれば、上記の問題が生じないだけでなく、連続的に様々な形状の流路を形成できるだけでなく、抄紙体に3次元交絡構造が形成されるため抄紙体の強度も向上する。気体よりも液体を抄紙体に打ち付ける方が、より深い流路を形成するためには適しており、こういった観点からウォータージェットパンチング法を用いることが好ましい。ウォータージェット法ではウォータージェットノズルの孔径を変化させることで、形成させる流路の幅を変更可能であり、またノズル間のピッチを変更することによって流路間の間隔を変更することができる。正弦波形状の流路を形成させる際にはノズルの振幅や振幅周期の変更によっては、形成される流路の振幅および周期を変更することができる。上述の通りウォータージェットパンチング法によれば、多彩な流路形状を持つガス拡散電極を製造することが可能である。 In the method of performing machining after carbonization, the gas diffusion electrode has a problem that carbon powder is generated at the time of cutting, and in the needle punching method, the carbon short fibers may be broken. On the other hand, if the water jet punching method and the steam jet method using high-pressure steam are used, not only the above-mentioned problems will occur, but also various shapes of flow paths can be continuously formed, and a three-dimensional entanglement structure can be formed on the paper body. As a result, the strength of the paper body is improved. It is suitable to strike a liquid rather than a gas on a paper body to form a deeper flow path. From this viewpoint, it is preferable to use a water jet punching method. In the water jet method, the width of the flow channel to be formed can be changed by changing the hole diameter of the water jet nozzle, and the interval between the flow channels can be changed by changing the pitch between the nozzles. When a sinusoidal flow path is formed, the amplitude and period of the formed flow path can be changed depending on the change of the amplitude and the amplitude period of the nozzle. As described above, according to the water jet punching method, it is possible to manufacture gas diffusion electrodes having various flow channel shapes.
本発明において「反応ガスの流れを制御する」とは、目的に応じて反応ガスの流れを同一方向に整えたり、蛇行させたりすることを意味する。例えば、反応ガスの流れを制御して効率よく反応させるためには、反応ガスの流れを蛇行させればよい。 In the present invention, “controlling the flow of the reaction gas” means adjusting the flow of the reaction gas in the same direction or making it meander according to the purpose. For example, in order to react efficiently by controlling the flow of the reaction gas, the flow of the reaction gas may be meandered.
本発明のガス拡散電極における溝(流路)の形状は直線、曲線のいずれでも良い。しかしながら、溝(流路)の形状が直線状、あるいは曲線状であっても2次曲線のようなガス拡散電極の面方向における流路分布が不均一な溝(流路)であると、直線の流路形状の向きによって、保水性・排水性が大きく変化し、その結果発電性能が大きく変化してしまうため、ガス拡散電極を燃料電池に組み付ける際に注意を要する。ガス拡散電極の面方向において溝(流路)分布が均一に近い流路形状のガス拡散電極を用いれば、ガス拡散電極を燃料電池に組み付ける際に流路の向きが90度変わってしまっても、保水性・排水性が大きく変化せず、良好な発電性能が得られるので好ましい。ガス拡散電極の面方向において溝(流路)分布が均一に近い溝(流路)形状のガス拡散電極としては、(1)溝(流路)形状がジグザグ状であり、なおかつジグザグが同一パターンの繰り返しによって構成され、当該ジグザグ状の溝(流路)が電極面上に均一に配置されたガス拡散電極、(2)溝(流路)が正弦波形状であり、なおかつ正弦波形状の溝(流路)が電極面上に均一に配置されたガス拡散電極が挙げられる。 The shape of the groove (flow path) in the gas diffusion electrode of the present invention may be either a straight line or a curved line. However, even if the shape of the groove (channel) is linear or curved, if the groove (channel) has a non-uniform channel distribution in the surface direction of the gas diffusion electrode, such as a quadratic curve, Depending on the direction of the flow path shape, the water retention and drainage properties change greatly, and as a result, the power generation performance changes greatly. Therefore, care must be taken when assembling the gas diffusion electrode to the fuel cell. If a gas diffusion electrode having a flow path shape with a substantially uniform groove (flow path) distribution in the surface direction of the gas diffusion electrode is used, the direction of the flow path may be changed by 90 degrees when the gas diffusion electrode is assembled to the fuel cell. The water retention and drainage properties are not significantly changed, and favorable power generation performance is obtained, which is preferable. As a gas diffusion electrode having a groove (channel) shape in which the groove (channel) distribution is almost uniform in the surface direction of the gas diffusion electrode, (1) the groove (channel) shape is zigzag and the zigzag is the same pattern Gas diffusion electrode in which the zigzag groove (flow path) is uniformly arranged on the electrode surface, and (2) the groove (flow path) has a sine wave shape, and the sine wave shape groove. A gas diffusion electrode in which (flow path) is uniformly arranged on the electrode surface can be mentioned.
ここで言う正弦波形状とは、正弦関数によって規定される一定の周期を持った曲線形状のことを指す。ウォータージェットパンチング法に用いるノズルをシート流れ方向に対して垂直に一定の周波数で振動させることによってシートに正弦波形状の溝(流路)を形成することができる。また、ウォータージェットパンチング法に用いるノズルは1列ノズルでも良いが、シート全面に溝(流路)を均一に形成するという観点から、複数列のノズルを用いることがより好ましい。下記に詳細を記す。
<ウォータージェットパンチング>
ウォータージェットパンチング法について以下に述べる。
The sine wave shape here refers to a curved shape having a constant period defined by a sine function. By oscillating the nozzle used in the water jet punching method at a constant frequency perpendicular to the sheet flow direction, a sinusoidal groove (flow path) can be formed in the sheet. The nozzle used in the water jet punching method may be a single row nozzle, but it is more preferable to use a plurality of rows of nozzles from the viewpoint of uniformly forming grooves (flow paths) on the entire surface of the sheet. Details are given below.
<Water jet punching>
The water jet punching method will be described below.
ウォータージェットパンチングでは、シート搬送方向に対して直角方向に振動する1列もしくは複数列配置されたノズル孔を備える高圧液体噴射ノズルを用い、周期20〜100mm、振幅1〜3mmの正弦派形状の溝(流路)をシート表面に描くように形成する。高圧液体噴射ノズルに振動を与えなければ、シートの流れ方向に沿った直線状の流路を形成することができる。 In water jet punching, a high-pressure liquid jet nozzle having nozzle holes arranged in one or a plurality of rows that vibrate in a direction perpendicular to the sheet conveying direction is used, and a sinusoidal groove having a period of 20 to 100 mm and an amplitude of 1 to 3 mm. A (flow path) is formed on the sheet surface. If no vibration is applied to the high-pressure liquid jet nozzle, a linear flow path along the flow direction of the sheet can be formed.
ウォータージェットパンチングにおいて、シート搬送方向に対して垂直方向に1列もしくは複数列上に配置されたウォータージェットノズルを振動することで、シート表面に正弦派形状の軌跡を均一に付与することができる。 In water jet punching, a sinusoidal trajectory can be uniformly imparted to the sheet surface by vibrating the water jet nozzles arranged in one or more rows in a direction perpendicular to the sheet conveyance direction.
シート搬送速度、ノズル振動速度、ノズル振り幅の関係によりシート表面に形成されるウォータージェットパンチングの軌跡は決まる。ノズル振動数としては1〜1000rpm程度、振り幅6mm程度で制御することが実用的な範囲であり、シート搬送速度を1〜10m/minに設定した場合、周期20〜100mm、振幅1〜3mmの正弦派形をシート上に形成することができる。 The locus of water jet punching formed on the sheet surface is determined by the relationship between the sheet conveyance speed, the nozzle vibration speed, and the nozzle swing width. As a nozzle frequency, it is practical to control with about 1 to 1000 rpm and a swing width of about 6 mm. When the sheet conveyance speed is set to 1 to 10 m / min, the cycle is 20 to 100 mm and the amplitude is 1 to 3 mm. A sinusoidal shape can be formed on the sheet.
溝(流路)形成処理およびシートの交絡をより強固にするために、ウォータージェットノズルによる処理を繰り返し行うことも可能である。例えば、1列ノズル間の列間ピッチは30cmとして2本のノズルを固定して1台のノズル振動装置で振動を与えることもできる。 In order to further strengthen the groove (flow path) forming process and the sheet entanglement, it is possible to repeatedly perform the process using the water jet nozzle. For example, the pitch between rows of nozzles can be set to 30 cm, and two nozzles can be fixed and vibration can be applied by a single nozzle vibration device.
高圧液体噴射ノズルの、高圧水流を発生させるノズル孔径はΦ(直径)0.05〜0.3mmが好ましい。直径0.05mm以上ではウォータージェットパンチングの打力が好適であり、効率的に溝(流路)形成および交絡処理を行うことができる。直径0.3mm以下では、ウォータージェットパンチングの水量が増加して打力が強くなることを容易に防止し、シート表面に残る軌跡が太くなって表面が荒れることを容易に防止できる。 The diameter of the nozzle hole for generating a high-pressure water flow of the high-pressure liquid jet nozzle is preferably 0.05 to 0.3 mm. When the diameter is 0.05 mm or more, the hitting force of water jet punching is suitable, and groove (flow path) formation and entanglement processing can be performed efficiently. If the diameter is 0.3 mm or less, it is possible to easily prevent the water jet punching water amount from increasing and the striking force to become strong, and it is possible to easily prevent the surface from becoming rough due to thick trajectories remaining on the sheet surface.
高圧液体噴射ノズルのノズル孔間ピッチは特に限定されるものではない。孔間ピッチは狭いほど高密度な交絡処理は可能となるが、ウォータージェットノズルから発生する高圧水流の直進性や使用水量と排水量のバランス、ノズルの加工精度などを考慮すると0.05〜0.3mmが好ましい。 The pitch between the nozzle holes of the high-pressure liquid jet nozzle is not particularly limited. The narrower the pitch between holes, the higher the density of the entanglement treatment is possible. 3 mm is preferred.
高圧液体噴射ノズルの高圧水流の圧力は0.1〜6MPaが好ましい。圧力0.1MPa以上では溝(流路)の形成状態および繊維の交絡を良好にすることが容易である。圧力6MPa以下では、ガス拡散電極前駆体シートの形態が崩れ破れることを容易に防止できる。 The pressure of the high-pressure water flow of the high-pressure liquid jet nozzle is preferably 0.1 to 6 MPa. When the pressure is 0.1 MPa or more, it is easy to improve the formation state of the grooves (flow paths) and the entanglement of the fibers. When the pressure is 6 MPa or less, it is possible to easily prevent the form of the gas diffusion electrode precursor sheet from collapsing and breaking.
本発明における正弦波形状は、厳密に正弦波形状である必要はなく、ほぼ正弦波形状のものも含む。発電性能の観点からすると、ガス拡散電極面上の溝(流路)分布がより均一であることが好ましいので、正弦波形状により近い方が好ましく、最も好ましくは厳密な意味での正弦波形状である。 The sine wave shape in the present invention does not need to be strictly a sine wave shape, and includes a substantially sine wave shape. From the viewpoint of power generation performance, it is preferable that the groove (channel) distribution on the surface of the gas diffusion electrode is more uniform, so it is preferable to be closer to the sine wave shape, and most preferably in the sine wave shape in a strict sense. is there.
溝(流路)を有するガス拡散電極の燃料電池における配置は、ガス拡散電極の溝(流路)を有する面がセパレーターと向き合うように配置することが好ましい。このように配置を行うことによってセパレーターの溝(流路)を流れるガスや水分を効率よく輸送することができる。 The gas diffusion electrode having a groove (flow path) in the fuel cell is preferably arranged so that the surface of the gas diffusion electrode having the groove (flow path) faces the separator. By arranging in this way, gas and moisture flowing through the groove (flow path) of the separator can be efficiently transported.
固体高分子型燃料電池は図1に示すように高分子電解質膜、触媒層、ガス拡散電極及び集電体からなり、一般には各構成単位は垂直に配置され、水平方向に積層される。 As shown in FIG. 1, the solid polymer fuel cell is composed of a polymer electrolyte membrane, a catalyst layer, a gas diffusion electrode, and a current collector. Generally, each structural unit is arranged vertically and stacked in the horizontal direction.
上記の様に各構成単位が垂直に配置される固体高分子型燃料電池においては、本発明のガス拡散電極が有する溝(流路)の形状がジグザグ状もしくは正弦波形状である場合、本発明のガス拡散電極を燃料極(水素極)として用いる際は、ジグザグ状もしくは正弦波形状を垂直方向と直行する方向に配置することにより保湿の面で有効である。また酸化剤極(酸素極)として用いる際は、垂直方向にジグザグ状もしくは正弦波形状を設けることにより排水機能を持たせられるので好ましい。 In the polymer electrolyte fuel cell in which the structural units are arranged vertically as described above, when the shape of the groove (flow path) of the gas diffusion electrode of the present invention is a zigzag shape or a sinusoidal shape, the present invention When this gas diffusion electrode is used as a fuel electrode (hydrogen electrode), it is effective in terms of moisture retention by arranging a zigzag shape or a sine wave shape in a direction perpendicular to the vertical direction. Further, when used as an oxidant electrode (oxygen electrode), it is preferable to provide a zigzag shape or a sine wave shape in the vertical direction to provide a drainage function.
本発明のガス拡散電極に設けられる溝の幅は0.1〜2.0mmが好ましく、より好ましくは0.2〜1.5mmである。溝の幅が狭すぎると流路としての機能を十分に発現せず、広すぎるとガス拡散電極表面の粗さが良好に保たれない。また、溝の深さは2〜100μmであることが好ましく、より好ましくは5〜50μmである。溝の深さが浅すぎると、流路として良好な排水性を示さず、深すぎるとガス拡散電極の強度を良好に保つことができない。さらに、溝間のピッチは0.5〜2.0mmの範囲が好ましく、より好ましくは0.5〜1.5mmである。溝間のピッチが狭すぎると精度よく溝を形成することができず、広すぎると面内における溝面積の割合が大きく保つことができない。溝としての機能を最大限に、ガス拡散電極の面内における溝の分布を均一にする上で、溝流路を重ねて形成することも有効である。 The width of the groove provided in the gas diffusion electrode of the present invention is preferably 0.1 to 2.0 mm, more preferably 0.2 to 1.5 mm. When the width of the groove is too narrow, the function as the flow path is not sufficiently exhibited, and when it is too wide, the roughness of the surface of the gas diffusion electrode cannot be kept good. Moreover, it is preferable that the depth of a groove | channel is 2-100 micrometers, More preferably, it is 5-50 micrometers. If the depth of the groove is too shallow, it will not show good drainage as a flow path, and if it is too deep, the strength of the gas diffusion electrode cannot be kept good. Furthermore, the pitch between the grooves is preferably in the range of 0.5 to 2.0 mm, more preferably 0.5 to 1.5 mm. If the pitch between the grooves is too narrow, the grooves cannot be formed with high accuracy, and if it is too wide, the ratio of the groove area in the surface cannot be kept large. In order to maximize the function as a groove and make the distribution of the groove in the plane of the gas diffusion electrode uniform, it is also effective to form the groove flow path in an overlapping manner.
<実施例1>
炭素短繊維(A)として、平均繊維径が7μm、平均繊維長が3mmのPAN系炭素繊維を用意した。また、炭素繊維前駆体短繊維(b)として、平均繊維径が4μm、平均繊維長が3mmのアクリル短繊維(三菱レイヨン(株)製、商品名:D122)、フィブリル状炭素前駆体繊維(b´)として、叩解によってフィブリル化するアクリル系ポリマーとジアセテート(酢酸セルロース)とからなる易割繊性アクリル系海島型複合短繊維(三菱レイヨン(株)製、商品名:ボンネルM.V.P.−C651、平均繊維長:3mm)を用意した。
<Example 1>
As the carbon short fiber (A), a PAN-based carbon fiber having an average fiber diameter of 7 μm and an average fiber length of 3 mm was prepared. Further, as the carbon fiber precursor short fibers (b), acrylic short fibers (Mitsubishi Rayon Co., Ltd., trade name: D122) having an average fiber diameter of 4 μm and an average fiber length of 3 mm, fibrillated carbon precursor fibers (b) ′), An easily split fiber acrylic sea-island type composite short fiber (made by Mitsubishi Rayon Co., Ltd., trade name: Bonnell MVP) consisting of an acrylic polymer fibrillated by beating and diacetate (cellulose acetate). . -C651, average fiber length: 3 mm).
以下の(1)〜(6)の操作によって表面に正弦波形状の流路を有する前駆体シート及び3次元交絡構造を持つ前駆体シートを2層以上積層一体化した前駆体シートを連続的に製造した。 By following the operations (1) to (6), a precursor sheet having a sinusoidal channel on the surface and a precursor sheet obtained by laminating and integrating two or more precursor sheets having a three-dimensional entangled structure are continuously formed. Manufactured.
(1)炭素短繊維(A)の離解
炭素短繊維(A)を、繊維濃度が1%(10g/L)になるように水中へ分散して、ミキサーを通して離解処理し、離解スラリー繊維(SA)とした。
(1) Disaggregation of carbon short fibers (A) The carbon short fibers (A) are dispersed in water so that the fiber concentration is 1% (10 g / L), disaggregated through a mixer, and disaggregated slurry fibers (SA) ).
(2)炭素繊維前駆体短繊維(b)の離解
炭素繊維前駆体短繊維(b)を、繊維濃度が1%(10g/L)になるように水中へ分散して、ミキサーを通して離解処理し、離解スラリー繊維(Sb)とした。
(2) Disaggregation of carbon fiber precursor short fibers (b) The carbon fiber precursor short fibers (b) are dispersed in water so that the fiber concentration is 1% (10 g / L), and disaggregated through a mixer. A disaggregated slurry fiber (Sb) was obtained.
(3)フィブリル状炭素前駆体繊維(b´)の離解
前記易割繊性アクリル系海島型複合短繊維を、繊維濃度が1%(10g/L)になるように水中へ分散させミキサーを通して叩解・離解処理し、離解スラリー繊維(Sb´)とした。
(3) Disaggregation of fibrillar carbon precursor fibers (b ′) The above split fiber acrylic sea-island composite short fibers are dispersed in water so that the fiber concentration is 1% (10 g / L) and beaten through a mixer. -It disaggregated and it was set as the disaggregation slurry fiber (Sb ').
(4)前駆体シートの製造
炭素短繊維(A)と炭素繊維前駆体短繊維(b)およびフィブリル状炭素前駆体繊維(b´)とが、質量比60:20:20で、かつスラリー中の繊維の濃度が、2.88g/Lとなるように離解スラリー繊維(SA)、離解スラリー繊維(Sb)、離解スラリー繊維(Sb´)、希釈水を計量し、標準角型シートマシン(熊谷理機工業(株)製、商品名:No.2555)を用いて、JIS P−8209法に準拠して手動により二次元平面内(縦250mm、横250mm)において分散させ、乾燥させることで、目付けが60g/m2の前駆体シートを得た。なお、前駆体シートにおける炭素短繊維(A)、炭素繊維前駆体短繊維(b)、およびフィブリル状炭素繊維前駆体短繊維(b´)の分散状態は良好であった。
(4) Production of precursor sheet Carbon short fiber (A), carbon fiber precursor short fiber (b), and fibrillar carbon precursor fiber (b ') are in a mass ratio of 60:20:20 and in slurry. The disaggregation slurry fiber (SA), disaggregation slurry fiber (Sb), disaggregation slurry fiber (Sb ′), and dilution water are weighed so that the concentration of the fiber becomes 2.88 g / L, and a standard square sheet machine (Kumaya) Using a product manufactured by Riki Kogyo Co., Ltd., trade name: No. 2555), it is manually dispersed in a two-dimensional plane (250 mm long, 250 mm wide) in accordance with JIS P-8209 method and dried. A precursor sheet having a basis weight of 60 g / m 2 was obtained. In addition, the dispersion state of the carbon short fiber (A), the carbon fiber precursor short fiber (b), and the fibrillar carbon fiber precursor short fiber (b ′) in the precursor sheet was good.
(5)流路を有する3次元交絡構造を持つ前駆体シートの製造
ネット駆動部及び幅60cm×長さ585cmのプラスチックネット製平織メッシュをベルト状につなぎあわせて連続的に回転させるネットよりなるシート状物搬送装置、スラリー供給部幅が48cmであるスラリー供給装置、ネット下部に配置した減圧脱水装置からなる処理装置を用いた。処理装置の下流には下記の3本のウォータージェットノズルを備えた加圧水流噴射処理装置を配置した。
(5) Manufacture of a precursor sheet having a three-dimensional entangled structure having a flow path A sheet made of a net that is continuously rotated by connecting a net drive unit and a plain woven mesh made of plastic net having a width of 60 cm and a length of 585 cm in a belt shape. The processing apparatus which consists of a shaped article conveyance apparatus, the slurry supply apparatus whose slurry supply part width is 48 cm, and the reduced pressure dehydration apparatus arrange | positioned under the net was used. A pressurized water jet treatment apparatus provided with the following three water jet nozzles was disposed downstream of the treatment apparatus.
ノズル1:孔径φ0.15mm×501孔、幅方向孔間ピッチ1mm(1001孔/幅1m)、1列配置、ノズル有効幅500mm
ノズル2:孔径φ0.15mm×501孔、幅方向孔間ピッチ1mm(1001孔/幅1m)、1列配置、ノズル有効幅500mm
ノズル3:孔径φ0.15mm×1002孔、幅方向孔間ピッチ1.5mm、3列配置、列間ピッチ5mm、ノズル有効幅500mm
前記(4)で得られた前駆体シートを、シート状搬送装置の上に配置した。加圧水流噴射圧力を1MPaノズル1、圧力2MPa(ノズル2)、圧力1MPa(ノズル3)として、前駆体シートをノズル1、ノズル2、ノズル3の順で通過させて交絡処理を加え3次元交絡構造を持つ積層一体化した前駆体シートを得た。この前駆体シートには振幅2mm、周期2mmの正弦波形状の溝(流路)が溝間隔1mmピッチで形成され、溝の深さは10μm、幅は0.5mmであった。
Nozzle 1: hole diameter φ0.15 mm × 501 holes, width direction hole pitch 1 mm (1001 holes / width 1 m), single row arrangement, nozzle effective width 500 mm
Nozzle 2: hole diameter φ0.15 mm × 501 holes, pitch in the width direction hole 1 mm (1001 holes / width 1 m), one line arrangement, nozzle effective width 500 mm
Nozzle 3: hole diameter φ0.15 mm × 1002 holes, width direction hole pitch 1.5 mm, three rows, row pitch 5 mm, nozzle effective width 500 mm
The precursor sheet obtained in the above (4) was placed on a sheet-like conveying device. A three-dimensional entangled structure with a pressurized water jetting pressure of 1 MPa nozzle 1, a pressure of 2 MPa (nozzle 2), and a pressure of 1 MPa (nozzle 3), passing the precursor sheet in the order of nozzle 1, nozzle 2, nozzle 3 and adding an entanglement process A laminated integrated precursor sheet was obtained. This precursor sheet was formed with sinusoidal grooves (flow channels) having an amplitude of 2 mm and a period of 2 mm at a pitch of 1 mm, and the groove depth was 10 μm and the width was 0.5 mm.
(6)乾燥処理
前記3次元交絡構造を持つ積層一体化させた前駆体シートを、ピンテンター試験機(辻井染機工業(株)製PT−2A−400)により150℃で3分間乾燥させた。この溝および3次元交絡構造を有する前駆体シート中での炭素短繊維(A)、炭素繊維前駆体短繊維(b)およびフィブリル状炭素前駆体繊維(b´)の分散状態は良好で、更に、繊維の絡み合いも良好であり、剥離を生じることがなく、ハンドリング性は良好であった。
(6) Drying treatment The precursor sheet integrated and laminated with the three-dimensional entangled structure was dried at 150 ° C. for 3 minutes by a pin tenter tester (PT-2A-400 manufactured by Sakurai Dyeing Machine Co., Ltd.). The dispersion state of the carbon short fibers (A), the carbon fiber precursor short fibers (b), and the fibrillar carbon precursor fibers (b ′) in the precursor sheet having the grooves and the three-dimensional entangled structure is good. Further, the entanglement of the fibers was good, no peeling occurred, and the handling property was good.
(7)加圧加熱成型
次に、この前駆体シートの両面を、シリコーン系離型剤をコートした紙で挟んだ後、バッチプレス装置にて180℃、3MPaの条件下で3分間加圧加熱成型した。
(7) Pressure heating molding Next, both sides of this precursor sheet are sandwiched between papers coated with a silicone release agent, and then heated under pressure at 180 ° C. and 3 MPa for 3 minutes in a batch press apparatus. Molded.
(8)炭素化処理
その後、この前駆体シートをバッチ炭素化炉にて、窒素ガス雰囲気中、2000℃の条件下で1時間炭素化処理してガス拡散電極を得た。得られたガス拡散電極を図2に示す。このガス拡散電極上には、振幅2mm、周期2mmの正弦波形状の溝(流路)が溝間隔1mmピッチで形成され、溝の深さは10μm、溝幅は0.5mmであった。
(8) Carbonization treatment Thereafter, this precursor sheet was carbonized in a batch carbonization furnace in a nitrogen gas atmosphere at 2000 ° C. for 1 hour to obtain a gas diffusion electrode. The obtained gas diffusion electrode is shown in FIG. On this gas diffusion electrode, sinusoidal grooves (flow channels) having an amplitude of 2 mm and a period of 2 mm were formed with a groove interval of 1 mm pitch, the groove depth was 10 μm, and the groove width was 0.5 mm.
(9)燃料電池の作製
両面に触媒担持カーボン(触媒:Pt、触媒担持量:50質量%)からなる触媒層(触媒層面積:25cm2、Pt付着量:0.3mg/cm2)を形成したパーフルオロスルホン酸系の高分子電解質膜(膜厚:30μm)を、ガス拡散電極の溝(流路)を有していない面側を高分子電解質膜と接する面ように2組のガス拡散電極で挟持し、これらを接合して得た膜−電極接合体(MEA)を蛇腹状のガス流路を有する2枚のカーボンセパレーターによって挟み、固体高分子型燃料電池(単セル)を形成した。この際、燃料極側および酸化剤極側のガス拡散電極の溝流路面がセパレーターと面するように配置し、かつ燃料極、酸化剤極それぞれ、正弦波の振幅が水平方向に対して直交するように配置した(図3参照)。
(9) Fabrication of fuel cell A catalyst layer (catalyst layer area: 25 cm 2 , Pt adhesion amount: 0.3 mg / cm 2 ) made of catalyst-supported carbon (catalyst: Pt, catalyst support amount: 50% by mass) is formed on both sides. Perfused perfluorosulfonic acid polymer electrolyte membrane (film thickness: 30 μm) with two sets of gas diffusion so that the surface of the gas diffusion electrode that does not have a groove (flow path) is in contact with the polymer electrolyte membrane The membrane-electrode assembly (MEA) obtained by sandwiching the electrodes and joining them was sandwiched between two carbon separators having bellows-like gas flow paths to form a polymer electrolyte fuel cell (single cell). . At this time, the gas diffusion electrodes on the fuel electrode side and the oxidant electrode side are arranged so that the groove flow path faces the separator, and the amplitude of the sine wave is orthogonal to the horizontal direction for each of the fuel electrode and the oxidant electrode. (See FIG. 3).
(10)電池性能の評価
温度を80℃としたこの単セルにセル内部の相対湿度が40%となるように水素ガスと空気をバブラーを介して供給し発電させた。起電力―電流密度曲線を記録し、電流密度0.8A/cm2で発電時に取り出される起電力を評価した。同様にして、温度を60℃としたこの単セルにセル内部の相対湿度が100%となるように水素ガスと空気をバブラーを介して供給して発電させた。起電力―電流密度曲線を記録し、電流密度0.8A/cm2で発電時に取り出される起電力を評価した。電池内部の湿度条件に関わらず、良好な発電性能を示した。結果は表1に示す。
(10) Evaluation of battery performance Hydrogen gas and air were supplied to the single cell at a temperature of 80 ° C. through a bubbler so that the relative humidity inside the cell would be 40%, thereby generating electric power. An electromotive force-current density curve was recorded, and the electromotive force taken out during power generation was evaluated at a current density of 0.8 A / cm 2 . Similarly, hydrogen gas and air were supplied to the single cell at a temperature of 60 ° C. through a bubbler so that the relative humidity inside the cell was 100% to generate electric power. An electromotive force-current density curve was recorded, and the electromotive force taken out during power generation was evaluated at a current density of 0.8 A / cm 2 . Regardless of the humidity conditions inside the battery, it showed good power generation performance. The results are shown in Table 1.
<実施例2>
燃料電池作製の際に、酸化剤極側におけるガス拡散電極の溝(流路)形状が実施例1に比べ正弦波を90℃回転させた状態となるように配したこと以外は実施例1と同様である。電池性能の評価を行った結果、加湿条件に関わらず良好な発電性能を示した。結果は表1に示した。
<Example 2>
Example 1 except that the groove (flow path) shape of the gas diffusion electrode on the oxidant electrode side is arranged so that the sine wave is rotated by 90 ° C. compared to Example 1 when the fuel cell is manufactured. It is the same. As a result of evaluating the battery performance, it showed good power generation performance regardless of humidification conditions. The results are shown in Table 1.
<実施例3>
燃料電池作製の際に、燃料極側におけるガス拡散電極の溝(流路)形状が実施例1に比べ正弦波を90℃回転させた状態となるように配したこと以外は実施例1と同様である。電池性能の評価を行った結果、加湿条件に関わらず良好な発電性能を示した。結果は表1に示した。
<Example 3>
Similar to Example 1 except that the groove (flow path) shape of the gas diffusion electrode on the fuel electrode side is arranged so that the sine wave is rotated by 90 ° C. compared to Example 1 when the fuel cell is manufactured. It is. As a result of evaluating the battery performance, it showed good power generation performance regardless of humidification conditions. The results are shown in Table 1.
<実施例4>
燃料電池作製の際に、燃料極側におけるガス拡散電極の溝(流路)形状も実施例1に比べ正弦波を90℃回転させた状態となるように配したこと以外は実施例2と同様である。電池性能の評価を行った結果、加湿条件に関わらず良好な発電性能を示した。結果は表1に示した。
<Example 4>
Similar to Example 2 except that the groove (flow path) shape of the gas diffusion electrode on the fuel electrode side is arranged so that the sine wave is rotated by 90 ° C. compared to Example 1 when the fuel cell is manufactured. It is. As a result of evaluating the battery performance, it showed good power generation performance regardless of humidification conditions. The results are shown in Table 1.
<実施例5>
3次元交絡を有する前駆体シートを製造する際に、ウォータージェットノズルを振動させず、直線状の溝(流路)形状を形成したことおよび、燃料電池を作成する際に直線状の溝(流路)形状が燃料電池の上下方向にわたるように配置したこと以外は実施例1と同様である。なお、前駆体シート及び炭化処理後のガス拡散電極上の溝は間隔1mmピッチで形成され、溝の深さは10μm、溝幅は0.5mmであった。
電池性能の評価を行った結果、加湿条件に関わらず良好な発電性能を示した。結果は表1に示した。
<Example 5>
When manufacturing a precursor sheet having three-dimensional entanglement, the water jet nozzle was not vibrated, and a linear groove (flow channel) shape was formed, and when a fuel cell was formed, a linear groove (flow Road) The same as in Example 1 except that the shape is arranged so as to extend in the vertical direction of the fuel cell. In addition, the groove | channel on the gas diffusion electrode after a precursor sheet | seat and a carbonization process was formed with the space | interval of 1 mm, the groove depth was 10 micrometers, and the groove width was 0.5 mm.
As a result of evaluating the battery performance, it showed good power generation performance regardless of humidification conditions. The results are shown in Table 1.
<比較例1>
前駆体シートを製造する際に3次元交絡処理を行わなかった。すなわち溝(流路)を形成しなかったこと以外は、実施例1と同様にしてガス拡散電極を得た。得られたガス拡散電極(溝(流路)を有さないガス拡散電極)を用いて燃料電池を作製し、その発電性能の評価を行った。得られたガス拡散電極を用いた燃料電池では、低加湿条件・高加湿条件いずれにおいても起電力の低下が見られた。結果を表1に示した。
<Comparative Example 1>
The three-dimensional entanglement process was not performed when manufacturing the precursor sheet. That is, a gas diffusion electrode was obtained in the same manner as in Example 1 except that the groove (flow path) was not formed. A fuel cell was produced using the obtained gas diffusion electrode (gas diffusion electrode having no groove (channel)), and the power generation performance was evaluated. In the fuel cell using the obtained gas diffusion electrode, a decrease in electromotive force was observed under both low and high humidification conditions. The results are shown in Table 1.
<比較例2>
実施例1と同様にして得られたガス拡散電極の溝(流路)面が、高分子電解質側に面するように燃料極側および酸化剤極側のガス拡散電極を配して燃料電池を作製し、その発電性能の評価を行った。得られたガス拡散電極を用いた燃料電池では、低加湿条件・高加湿条件いずれにおいても起電力の低下が見られた。結果を表1に示した。
<Comparative example 2>
The fuel cell is obtained by arranging the gas diffusion electrodes on the fuel electrode side and the oxidant electrode side so that the groove (flow path) surface of the gas diffusion electrode obtained in the same manner as in Example 1 faces the polymer electrolyte side. The power generation performance was evaluated. In the fuel cell using the obtained gas diffusion electrode, a decrease in electromotive force was observed under both low and high humidification conditions. The results are shown in Table 1.
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