JP2007299625A - Membrane electrode assembly and its manufacturing method - Google Patents
Membrane electrode assembly and its manufacturing method Download PDFInfo
- Publication number
- JP2007299625A JP2007299625A JP2006126439A JP2006126439A JP2007299625A JP 2007299625 A JP2007299625 A JP 2007299625A JP 2006126439 A JP2006126439 A JP 2006126439A JP 2006126439 A JP2006126439 A JP 2006126439A JP 2007299625 A JP2007299625 A JP 2007299625A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- layer
- water
- fuel cell
- diffusion layer
- hydrophilic substance
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
Images
Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
- Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
- Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product
Landscapes
- Inert Electrodes (AREA)
- Fuel Cell (AREA)
Abstract
Description
この発明は燃料電池用接合体及び製造方法に係り、特に車両への搭載に適した燃料電池及び製造方法に関する。 The present invention relates to a fuel cell assembly and a manufacturing method, and more particularly to a fuel cell suitable for mounting in a vehicle and a manufacturing method.
従来、例えば特開2005−174768号公報に開示されるように、拡散層に親水性物質を含有する燃料電池が開示されている。燃料電池は、通常、電解質膜を備え、電解質膜を挟持するように、アノード極とカソード極とを備えている。アノード極とカソード極はそれぞれ、電解質膜から離反する形で、触媒層と、拡散層と、セパレータとを備えている。燃料電池の動作の際には、アノード側のセパレータと拡散層の間に水素ガスが供給され、カソード側のセパレータと拡散層の間に空気(酸素)ガスが供給される。供給されたガスは、拡散層を透過し、触媒層付近に到達する。そして、発電動作に伴って、カソード側の触媒層付近で水が生成される。 Conventionally, as disclosed in, for example, JP-A-2005-174768, a fuel cell containing a hydrophilic substance in a diffusion layer has been disclosed. A fuel cell usually includes an electrolyte membrane, and includes an anode electrode and a cathode electrode so as to sandwich the electrolyte membrane. Each of the anode and cathode is separated from the electrolyte membrane, and includes a catalyst layer, a diffusion layer, and a separator. During the operation of the fuel cell, hydrogen gas is supplied between the anode-side separator and the diffusion layer, and air (oxygen) gas is supplied between the cathode-side separator and the diffusion layer. The supplied gas passes through the diffusion layer and reaches the vicinity of the catalyst layer. Then, with the power generation operation, water is generated in the vicinity of the catalyst layer on the cathode side.
良好な電池性能を得るためには、電解質膜を十分に保湿することが重要である。一方、過度の水が電池内部に滞留していると、ガス拡散性が阻害され、電池性能が低下してしまう。カソード側の触媒層付近で水が生成することから、触媒層から拡散層方向への水の排出能力を向上させる必要がある。そこで、上記従来装置は、拡散層において排水を行うため、拡散層に親水性物質を含有していた。
ところで、カソード側の触媒層付近で水が生成されるため、カソード側の拡散層では主に排水力が求められる。一方、アノード側の拡散層では、電解質膜の保湿のために、主に保湿力が求められる。上記従来の公報には、親水性物質を含有する拡散層の製造方法が開示されている。この方法では、細孔材と親水性物質を含む溶液はペースト状に混合される。そして、作成したペーストを乾燥することより拡散層を製造している。しかし、従来の製造方法では、親水性物質が細孔材の細孔に入り込み、膜状に形成され、細孔を塞いでしまう可能性があった。このため、ガス拡散性を阻害し、電池性能を低下してしまう恐れがあった。 By the way, since water is generated in the vicinity of the catalyst layer on the cathode side, drainage power is mainly required in the diffusion layer on the cathode side. On the other hand, the anode-side diffusion layer is mainly required to have a moisturizing power in order to keep the electrolyte membrane moist. The above conventional publication discloses a method for producing a diffusion layer containing a hydrophilic substance. In this method, the solution containing the pore material and the hydrophilic substance is mixed in a paste form. And the diffusion layer is manufactured by drying the created paste. However, in the conventional manufacturing method, there is a possibility that the hydrophilic substance enters the pores of the pore material and is formed in a film shape to block the pores. For this reason, there existed a possibility that gas diffusibility may be inhibited and battery performance may fall.
この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、ガス拡散性を確保し、かつ、適度に排水または保湿を行う燃料電池用接合体を提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to provide a fuel cell assembly that ensures gas diffusibility and appropriately drains or retains moisture.
第1の発明は、上記の目的を達成するため、燃料電池用接合体であって、電解質膜と、前記電解質膜に接し、燃料ガスの反応を促進させる触媒層と、前記触媒層に接し、前記燃料ガスを拡散させる拡散層と、前記拡散層に設けられ、局所的に親水性物質を有する水マネジメント層と、を備えることを特徴とする。ここで、水マネジメント層は、ガス拡散性を確保し、かつ、適度に排水または保湿を行う層である。 In order to achieve the above object, the first invention is a fuel cell assembly, which is in contact with an electrolyte membrane, a catalyst layer in contact with the electrolyte membrane and promoting a reaction of fuel gas, and the catalyst layer. A diffusion layer for diffusing the fuel gas; and a water management layer provided in the diffusion layer and locally having a hydrophilic substance. Here, the water management layer is a layer that ensures gas diffusibility and appropriately drains or moisturizes.
第2の発明は、第1の発明記載の燃料電池用接合体であって、前記水マネジメント層は、前記触媒層に接する拡散層界面を少なくとも含むことを特徴とする。 A second invention is a fuel cell assembly according to the first invention, wherein the water management layer includes at least a diffusion layer interface in contact with the catalyst layer.
第3の発明は、第1の発明もしくは第2の発明のいずれか1つに記載の燃料電池用接合体であって、前記拡散層はカソード側の拡散層であることを特徴とする。 A third invention is a fuel cell assembly according to any one of the first invention and the second invention, wherein the diffusion layer is a diffusion layer on the cathode side.
第4の発明は、第3の発明記載の燃料電池用接合体であって、前記親水性物質は、球形で粒状の親水性物質であることを特徴とする。 A fourth invention is a fuel cell assembly according to the third invention, wherein the hydrophilic substance is a spherical and granular hydrophilic substance.
第5の発明は、第1の発明もしくは第2の発明のいずれか1つに記載の燃料電池用接合体であって、前記拡散層はアノード側の拡散層であり、前記親水性物質は、球形で粒状の親水性物質であることを特徴とする。 A fifth invention is the fuel cell assembly according to any one of the first invention or the second invention, wherein the diffusion layer is an anode-side diffusion layer, and the hydrophilic substance is It is a spherical and granular hydrophilic substance.
第6の発明は、第1の発明−第4の発明のいずれか1つに記載の燃料電池用接合体であって、前記拡散層には、触媒層から離反する方向へ細孔径が大きくなる領域を備えることを特徴とする。 A sixth invention is the fuel cell assembly according to any one of the first invention to the fourth invention, wherein the diffusion layer has a pore diameter that increases in a direction away from the catalyst layer. A region is provided.
第7の発明は、第1の発明−第5の発明のいずれか1つに記載の燃料電池用接合体であって、前記拡散層には、触媒層から離反する方向へ空隙率が小さくなる領域を備えることを特徴とする。 A seventh invention is the fuel cell assembly according to any one of the first invention to the fifth invention, wherein the diffusion layer has a porosity that decreases in a direction away from the catalyst layer. A region is provided.
第8の発明は、水マネジメント層製造方法であって、粒状の親水性物質を作成する工程と、前記親水性物質と細孔材と溶媒とを混合してペーストを作成する工程と、前記ペーストを膜状にして乾燥させる工程とを備え、前記溶媒は前記親水性物質を溶融させないものであることを特徴とする。 An eighth invention is a water management layer manufacturing method, the step of creating a granular hydrophilic substance, the step of creating a paste by mixing the hydrophilic substance, a pore material and a solvent, and the paste And a step of drying the hydrophilic substance, wherein the solvent does not melt the hydrophilic substance.
第1の発明によれば、親水性物質を局所的に含有しているため、細孔は確保されている。よって、ガス拡散性は確保されている。それとともに、水マネジメント層により、触媒層付近の水の状態を管理することができる。本発明がカソード側の拡散層に用いられる場合、触媒層付近の水を排出することができる。本発明がアノード側の拡散層に用いられる場合、触媒層付近の水の蒸発を抑制することで、電解質膜を保湿することができる。 According to 1st invention, since the hydrophilic substance is contained locally, the pore is ensured. Therefore, gas diffusibility is ensured. At the same time, the water management layer can manage the state of water near the catalyst layer. When the present invention is used for the diffusion layer on the cathode side, water near the catalyst layer can be discharged. When the present invention is used for the diffusion layer on the anode side, the electrolyte membrane can be moisturized by suppressing the evaporation of water near the catalyst layer.
第2の発明によれば、触媒層に接する拡散層界面付近に親水性物質を含むことで、触媒層付近の水を排出もしくは保湿しやすい。 According to the second invention, it is easy to discharge or moisturize water near the catalyst layer by including a hydrophilic substance in the vicinity of the diffusion layer interface in contact with the catalyst layer.
第3の発明によれば、カソード側の触媒層付近に存在する水は、水マネジメント層に含まれる親水性物質に吸収される。本発明によれば、カソード側の触媒層付近で生成された水は拡散層方向へ排出されやすい。その結果、拡散層内にガスの通路が確保されやすい。このため、本発明によれば、カソード側において良好なガス拡散性が得られる。 According to the third invention, water existing in the vicinity of the catalyst layer on the cathode side is absorbed by the hydrophilic substance contained in the water management layer. According to the present invention, the water generated in the vicinity of the catalyst layer on the cathode side is easily discharged toward the diffusion layer. As a result, a gas passage is easily secured in the diffusion layer. Therefore, according to the present invention, good gas diffusibility can be obtained on the cathode side.
第4の発明によれば、カソード側に球形で粒状の親水性物質を含有することより、ガスの通過する細孔を特に確保しやすい。このため、本発明によれば、良好なガス拡散性を有することができる。また、粒形で球状の親水性物質は水分の蒸発を抑制する。よって、本発明によれば、保湿性が得られる。 According to the fourth aspect of the invention, since the spherical and granular hydrophilic substance is contained on the cathode side, it is particularly easy to ensure the pores through which the gas passes. For this reason, according to this invention, it can have favorable gas diffusibility. Moreover, the spherical and spherical hydrophilic substance suppresses evaporation of moisture. Therefore, according to the present invention, moisture retention can be obtained.
第5の発明によれば、球形で粒状の親水性物質は、乾燥時における急激な水の蒸発を抑制する。アノード側では、乾燥している場合が多い。このため、本発明によれば、アノード側での水の蒸発を抑制することで、電解質膜の保湿を図ることができる。 According to the fifth invention, the spherical and granular hydrophilic substance suppresses rapid water evaporation during drying. The anode side is often dry. For this reason, according to the present invention, the moisture retention of the electrolyte membrane can be achieved by suppressing the evaporation of water on the anode side.
第6の発明によれば、触媒層から離反する方向へ細孔径が大きくなるような領域を備える。液体は細孔径の大きい方向に透過しやすい性質を持つ。よって、本発明によれば、高い排水力を有する。 According to the sixth aspect of the invention, a region is provided in which the pore diameter increases in the direction away from the catalyst layer. The liquid has the property of being easily permeable in the direction of the larger pore diameter. Therefore, according to this invention, it has high drainage power.
第7の発明によれば、触媒層から離反する方向へ空隙率が小さくなるような領域を備える。ガスは、空隙率が小さい方向に透過しにくい性質を持つ。よって、本発明によれば、ガスによる水の排出はされ難いため、水の排出を抑制できる。このため、本発明によれば、優れた保湿力を有する。 According to the seventh aspect of the invention, a region is provided in which the porosity decreases in a direction away from the catalyst layer. Gas has a property of being difficult to permeate in a direction where the porosity is small. Therefore, according to the present invention, since it is difficult for water to be discharged by gas, water discharge can be suppressed. For this reason, according to this invention, it has the outstanding moisturizing power.
第8の発明によれば、粒状の親水性物質を作成し、粒状の親水性物質を含有する水マネジメント層を製造することができる。 According to the eighth invention, it is possible to produce a granular hydrophilic substance and manufacture a water management layer containing the granular hydrophilic substance.
実施の形態1.
[実施の形態1の構成]
図1は、本発明の実施の形態1の燃料電池10の構成を説明するための図である。本実施の形態1の燃料電池10は、電解質膜12を備えている。電解質膜12は、水素イオンを選択的に透過させる固体高分子膜などにて構成される。電解質膜12には、例えば、バーフルオロスルホン酸系イオン交換膜などを用いる。電解質膜12を挟んで、アノードとカソードが形成されている。
Embodiment 1 FIG.
[Configuration of Embodiment 1]
FIG. 1 is a diagram for explaining the configuration of a
電解質膜12の双方の面全体に、アノード側には触媒層14が、カソード側には触媒層16が形成されている。触媒層14、16は、電解質膜表面に貼付されている層であり、電解質膜12の表面全体に白金を担持させたカーボンと電解質とを塗布して、形成されている。
On both surfaces of the
アノード側には触媒層14の上に拡散層18が、カソード側には触媒層16の上に拡散層20が形成されている。アノード側には拡散層18の上にセパレータ22が、カソード側には拡散層20の上にセパレータ24が、配置される。アノード側には水素ガスが流れ込み、カソード側には空気(酸素)ガスが流れ込む。それぞれの側に供給されたガスが、拡散層18,20を通して、触媒層14,16に到達するように、セパレータ22,24と、拡散層18,20は備えられている。
A
拡散層18、20とセパレータ22、24との間に、燃料として、アノード側に水素ガスと、カソード側に空気(酸素)ガスとが供給される。供給された水素ガスは、拡散層18を通してアノード側の触媒層14に到達する。そして、アノード側の触媒層14付近で、以下の反応により水素イオンH+と電子e-を生成する。
Between the diffusion layers 18 and 20 and the
アノード側反応: H2→2H++2e- ・・・(1) Anode side reaction: H 2 → 2H + + 2e − (1)
上記の反応により生成された電子e-は、図に明示しない導電通路を介して、カソード側に伝播される。一方、電子e-と共に生成された水素イオンは、電解質膜12を通り、カソードの触媒層16付近に到達する。また、アノードから伝播された電子e-と、カソードに供給された空気ガスとが、カソードの触媒層16付近に到達する。その結果、カソード側の触媒層16では、以下の反応が生じる。
Electrons e − generated by the above reaction are propagated to the cathode side through conductive paths not shown in the figure. On the other hand, the hydrogen ions generated together with the electrons e − pass through the
カソード側反応: 2H++2e-+(1/2)O2→H20 ・・・(2) The cathode reaction: 2H + + 2e - + ( 1/2) O 2 → H 2 0 ··· (2)
燃料電池10は、上記反応(1)及び上記反応(2)を生じさせることにより、水を生成しながら電気エネルギーを発生する。反応(2)により、カソード側の触媒層16付近で水を生成する。
The
図2は、カソード側の拡散層20を拡大して表した図である。図2に示すように、拡散層20は、空気の供給される側から触媒層側へ、基材層26と、撥水層28と、水マネジメント層30とを積層して構成されている。
FIG. 2 is an enlarged view of the
基材層26は、カーボンペーパ32と、撥水材(図示略)とで、構成されている。ここで、撥水材としてポリテトラフルオロチレン(以下PTFEと称す)を用いている。カーボンペーパ32は、カーボンを材料として用い、多孔質の薄板で構成したものである。カーボンペーパ32は、カーボンを用いていることから導電性を有し、更に多孔質であるためガスを拡散することができる。また、カーボンペーパ32は、生成水を排出する役割も果たす。
The base material layer 26 is composed of
撥水層28は、アセチレンブラック34と撥水材とで構成されている。ここで、アセチレンブラックは1次粒径40μmのものを用い、撥水材はPTFE36を用いている。PTFEはアセチレンブラック粒を支持するように接着されている。アセチレンブラックとPTFEの存在しない部分には、空隙が存在している。この空隙を通して、空気(酸素)ガスが通過できるようになっている。
The water repellent layer 28 is composed of acetylene black 34 and a water repellent material. Here, acetylene black having a primary particle size of 40 μm is used, and
水マネジメント層30は、粒状のパーフルオロスルホン酸ポリマー38と、アセチレンブラック40と、撥水材とで構成されている。ここで、パーフルオロスルホン酸ポリマー38は粒径10μmのものを用い、撥水材はPVDF42を用いている。ここで、アセチレンブラック40は1次粒径40μmのものを用いる。粒状のパーフルオロスルホン酸ポリマー38とアセチレンブラック40を支持するようにPVDF42が混合されている。粒状のパーフルオロスルホン酸ポリマー38の存在しない部分には、空気(酸素)ガスの通過する空隙が確保されている。
The water management layer 30 is composed of granular
水マネジメント層30に含有されるパーフルオロスルホン酸ポリマー38は、球形の粒状である。同じ体積の物質と比べて、球形に近づくほど、比表面積は小さくなる。このため、パーフルオロスルホン酸ポリマー38の比表面積は、十分に小さいものとなっている。
The
[実施の形態1の作用]
上述のとおり、燃料電池の動作の際には、拡散層20とセパレータ24との間に、空気(酸素)ガスが供給される。供給されたガスは、水マネジメント層30内の細孔を通過し、触媒層16付近に到達する。また、排出されるガスは、水マネジメント層30内の細孔を通過し、基材層26方向へ排出される。
[Operation of the first embodiment]
As described above, air (oxygen) gas is supplied between the
上述のとおり、燃料電池10の動作時、カソード側の触媒層16付近で水が生成する。生成された水の一部は、触媒層16から水マネジメント層30のパーフルオロスルホン酸ポリマー38に吸収される。パーフルオロスルホン酸ポリマー38に吸収された水、及び、水マネジメント層30の空隙等に存在する水の一部は、排出される気体に含まれる形で、水マネジメント層30内の空隙を通り、基材層26方向へと排出される。また、生成された水の一部は、電解質膜12に吸収され、電解質膜12を保湿する。さらに、電解質に吸収された水の一部は、電解質膜12を透過し、アノード側の拡散層20に到達する。
As described above, during the operation of the
上述のとおり、水マネジメント層30に含有されるパーフルオロスルホン酸ポリマー38は、球形の粒状であり、比表面積が十分に小さい形状とされている。パーフルオロスルホン酸ポリマーの体積が大きければ、水の吸収力は上昇する。また、パーフルオロスルホン酸ポリマーの表面積が小さければ、ポリマー内部の水は蒸発しにくくなる。よって、球形で粒状のパーフルオロスルホン酸ポリマーは、水の吸収力の高く、且つ、蒸発を抑制できることから、保湿性に優れている。
As described above, the
[実施の形態1の効果]
図3は、本発明の実施の形態1と、比例1と比較例2とを、評価した結果を表す図である。アノード側及びカソード側を加湿することなく燃料電池を動作させた際の、電圧と冷却水の出口温度とを、あらわす。縦軸は電圧、横軸は温度である。図3において、それぞれ、黒丸は実施の形態1を、白丸は比較例1を、斜線された白丸は比較例2を、あらわす。
[Effect of Embodiment 1]
FIG. 3 is a diagram showing the results of evaluation of Embodiment 1, proportional 1 and comparative example 2 of the present invention. The voltage and the outlet temperature of the cooling water when the fuel cell is operated without humidifying the anode side and the cathode side are shown. The vertical axis is voltage, and the horizontal axis is temperature. In FIG. 3, black circles represent the first embodiment, white circles represent Comparative Example 1, and hatched white circles represent Comparative Example 2.
ここで、比較例1は、実施の形態1の構成と比較して、水マネジメント層を設けない燃料電池である。すなわち、比較例1の拡散層は、空気の供給される側から触媒層側へ、基材層と撥水層とを積層して形成されている。 Here, the comparative example 1 is a fuel cell in which the water management layer is not provided as compared with the configuration of the first embodiment. That is, the diffusion layer of Comparative Example 1 is formed by laminating the base material layer and the water repellent layer from the air supply side to the catalyst layer side.
ここで、比較例2は、実施の形態1の構成と比較して、水マネジメント層の構成の異なる燃料電池である。比較例2の水マネジメント層は、膜状のパーフルオロスルホン酸ポリマーと、アセチレンブラックとで構成されている。特に、ここでは、膜状のパーフルオロスルホン酸ポリマーが、ガスの通過する細孔を、一部塞ぐように構成されている。比較例2は、後述の比較例2の製造方法により製造される。 Here, the comparative example 2 is a fuel cell in which the configuration of the water management layer is different from the configuration of the first embodiment. The water management layer of Comparative Example 2 is composed of a film-like perfluorosulfonic acid polymer and acetylene black. In particular, here, the membrane-like perfluorosulfonic acid polymer is configured to partially block the pores through which the gas passes. The comparative example 2 is manufactured by the manufacturing method of the comparative example 2 mentioned later.
図3の低温時における、実施の形態1と、比較例1及び比較例2との比較結果について説明する。低温時では、電池内部の水は、主に液体として存在している場合が多い。液体の水が拡散層の細孔に入り込むことより、ガス拡散性が阻害され、電池性能が低下する恐れがある。 A comparison result between Embodiment 1 and Comparative Example 1 and Comparative Example 2 at the time of low temperature in FIG. 3 will be described. When the temperature is low, the water inside the battery often exists mainly as a liquid. Since liquid water enters the pores of the diffusion layer, gas diffusibility is hindered and battery performance may be reduced.
低温時、実施の形態1は、比較例1と比べて、著しく電圧が高くなっている。比較例1では、生成した水の一部が拡散層の細孔に入り込み、ガス拡散性を阻害し、電池性能が低下していると考えられる。一方、実施の形態1では、触媒層付近で生成した水が、水マネジメント層に含有された粒状のパーフルオロスルホン酸ポリマー38に吸収され、基材層方向へと排出されることから、ガス拡散性が維持されたと考えられる。
At a low temperature, the voltage in Embodiment 1 is significantly higher than that in Comparative Example 1. In Comparative Example 1, it is considered that part of the generated water enters the pores of the diffusion layer, hinders gas diffusibility, and battery performance is degraded. On the other hand, in the first embodiment, the water generated in the vicinity of the catalyst layer is absorbed by the granular
実施の形態1は、比較例2と比べて、著しく電圧が高くなっている。比較例2では、パーフルオロスルホン酸ポリマーが膜状になっているため、ガス拡散性が阻害されやすい。特に低温時、比較例2では、わずかに生成した水により、拡散層の細孔が塞がれやすく、ガス拡散性が低下しやすい。一方、実施の形態1は、パーフルオロスルホン酸ポリマー38が局所的にあるため、ガスの透過する細孔を十分に備えている。よって、実施の形態1は、高いガス拡散性と良好な排水性を確保しているといえる。
The voltage in Embodiment 1 is significantly higher than that in Comparative Example 2. In Comparative Example 2, since the perfluorosulfonic acid polymer is in the form of a film, gas diffusibility is likely to be hindered. In particular, at a low temperature, in Comparative Example 2, the pores of the diffusion layer are likely to be blocked by slightly generated water, and the gas diffusibility tends to decrease. On the other hand, since the
図3の高温時での、実施の形態1と、比較例1及び比較例2との、比較結果について説明する。高温時、電池内部の水は、主に気体として存在している場合が多い。そして、高温時、電池内部は乾燥した状態である場合が多い。良好な電池性能を確保するためには、電解質膜の保湿が重要である。 Comparison results between Embodiment 1 and Comparative Examples 1 and 2 at a high temperature in FIG. 3 will be described. When the temperature is high, the water inside the battery often exists mainly as a gas. In many cases, the inside of the battery is in a dry state at a high temperature. In order to ensure good battery performance, moisture retention of the electrolyte membrane is important.
高温時、実施の形態1は、比較例1と比べて、著しく電圧が高くなっている。比較例1では親水性物質を含まないため、電解質膜が乾燥しやすい。電池性能の低下は、この電解質膜の乾燥に起因すると考えられる。一方、実施の形態1では、触媒層16付近で発生した水は、パーフルオロスルホン酸ポリマー38に吸収されて、電池内部に留まることができる。よって、電解質膜の乾燥を防ぐことができる。したがって、実施の形態1は、保湿性を有していると考えられる。
The voltage in Embodiment 1 is significantly higher than that in Comparative Example 1 at high temperatures. In Comparative Example 1, since the hydrophilic substance is not included, the electrolyte membrane is easily dried. The decrease in battery performance is considered to result from the drying of the electrolyte membrane. On the other hand, in the first embodiment, the water generated in the vicinity of the
高温時に、実施の形態1が比較例2より良好な電池性能が得られている。この理由のひとつとして、パーフルオロスルホン酸ポリマー38が球形の粒状であることが挙げられる。上述のとおり、球形で粒状のパーフルオロスルホン酸ポリマー38は、水の吸収力の高く、且つ、水の蒸発を抑制でき、保湿性に優れている。よって、実施の形態1は、特に高温時における急激な水分の蒸発を、抑制することができると考えられる。
The battery performance of Embodiment 1 better than that of Comparative Example 2 is obtained at high temperatures. One reason for this is that the
したがって、本発明の実施の形態1は、ガス拡散を阻害することなく、電池内部の水を適切に管理することのできる燃料電池である。 Therefore, Embodiment 1 of the present invention is a fuel cell that can appropriately manage the water inside the cell without inhibiting gas diffusion.
また、パーフルオロスルホン酸ポリマーは氷点下時に凍結せずに水を蓄積できる特性を持っている。よって、パーフルオロスルホン酸ポリマー38に吸収された水は、氷点下時に、氷結せずに存在できる。したがって、拡散層20付近の氷結による過度な負荷を抑制することができる。
In addition, perfluorosulfonic acid polymer has the property of being able to accumulate water without freezing when it is below freezing. Therefore, the water absorbed by the
なお、本実施の形態では、水素ガスと空気(酸素)ガスを燃料とする燃料電池を説明したが、燃料電池はこれに限られるものではない。例えば、メタノール直接型燃料電池(Direct Methanol Fuel Cell)の場合は、燃料として、メタノール溶液と酸素ガスを用いる。なお、本実施の形態では、燃料電池10は、電解質膜12と触媒層14、16と拡散層18,20とセパレータ22,24を積層した構造であるが、これに限られるものではなく、一般的に用いられる燃料電池であればよい。例えば、電解質膜、触媒層もしくは拡散層が多角型である燃料電池でもよい。
In the present embodiment, the fuel cell using hydrogen gas and air (oxygen) gas as fuel has been described, but the fuel cell is not limited to this. For example, in the case of a direct methanol fuel cell, a methanol solution and oxygen gas are used as fuel. In the present embodiment, the
なお、本実施の形態では、親水性物質は、パーフルオロスルホン酸ポリマー38を用いている。この具体例として、デュポン社製Nafion、旭化成製Aciplex、旭硝子製Flemion、ジャパンゴアテック社製Gore-Selectに代表されるパーフルオロスルホン酸樹脂が挙げられる。さらに、これらのパーフルオロスルホン酸樹脂に、テトラフルオロエチレンを導入したもの等を用いてもよい。
In the present embodiment,
なお、本実施の形態では、親水性物質は、パーフルオロスルホン酸ポリマー38を用いたが、これに限られるものではない。例えば、スルホン化ポリエーテルケトン樹脂、スルホン化ポリエーテルサルホン樹脂をはじめとした炭化水素系電解質であってもよい。例えば、保湿性高分子であってもよい。
In the present embodiment, the
なお、本実施の形態では、パーフルオロスルホン酸ポリマー38の粒径は、10μmのものを用いたが、1μm―200μmが望ましい。パーフルオロスルホン酸ポリマーの粒径が大きければ、高い保湿性が得られる。
In this embodiment, the particle diameter of the
なお、本実施の形態では、パーフルオロスルホン酸ポリマー38は、球形の粒状であるが、これに限られるものではない。例えば、円柱形でもよい。例えば、星型でもよい。例えば、楕円形でもよい。例えば、凹型でもよい。なお、本実施の形態では、水マネジメント層30には、パーフルオロスルホン酸ポリマー38は点在しているが、これに限定されるものでない。パーフルオロスルホン酸ポリマーが局在していればよい。
In the present embodiment, the
なお、本実施の形態では、撥水層28と水マネジメント層30では、細孔材は、アセチレンブラックを用いたが、特にこれに限定されるものではない。燃料電池の拡散層に一般的に用いられる細孔材を使用することができる。一例として、チャネルブラック、サーマブラック、カーボンブラック等を使用してもよい。 In the present embodiment, acetylene black is used as the pore material in the water repellent layer 28 and the water management layer 30, but the present invention is not particularly limited thereto. The pore material generally used for the diffusion layer of the fuel cell can be used. As an example, channel black, therma black, carbon black or the like may be used.
なお、本実施の形態では、基材層26と撥水層28と水マネジメント層30では、撥水材は、PTFE及びPVDFを用いているが、これらに限定されるものではない。例えば、フッ素樹脂をコートしたものでもよい。フッ素樹脂としては、例えば、PFA(テトラフルオロエチレンパーフルオロアルキルビニルエーテルコポリマー)、ETFE(エチレン−テトラフルオロエチレン共重合体)、FEP(フッ化エチレンポリプロピレンコポリマー)等を用いてもよい。例えば、撥水処理として、カーボン多孔質にフッ素原子を被覆したもので行ってもよい。 In the present embodiment, the base material layer 26, the water repellent layer 28, and the water management layer 30 use PTFE and PVDF as the water repellent material, but are not limited thereto. For example, it may be coated with a fluororesin. As the fluororesin, for example, PFA (tetrafluoroethylene perfluoroalkyl vinyl ether copolymer), ETFE (ethylene-tetrafluoroethylene copolymer), FEP (fluorinated ethylene polypropylene copolymer) or the like may be used. For example, the water-repellent treatment may be performed using a carbon porous material coated with fluorine atoms.
なお、本実施の形態では、水マネジメント層30において、撥水材は、PVDFを用いたが、特にこれに限定されるものではない。好適なものとしては、熱を加えずに固形化できる撥水材が望ましい。 In the present embodiment, PVDF is used as the water repellent material in the water management layer 30, but it is not particularly limited to this. A water repellent material that can be solidified without applying heat is desirable.
なお、本実施の形態では、拡散層20は、基材層26と撥水層28と水マネジメント層30とに分割された構造となっているが、これに限定されるものではない。例えば、拡散層20は、基材層26を省略してもよい。例えば、撥水層28を省略してもよい。例えば、基材層26と撥水層28とを、省略してもよい。
In the present embodiment, the
なお、本実施の形態では、水マネジメント層30が親水性物質を含有しているが、これに限定されるものではない。例えば、水マネジメント層30に加えて撥水層28が、親水性物質を含有してもよい。例えば、拡散層全体に親水性物質を含有してもよい。すなわち、一例として、水マネジメント層30と撥水層28と基材層26とが、親水性物質を含有してもよい。 In addition, in this Embodiment, although the water management layer 30 contains the hydrophilic substance, it is not limited to this. For example, in addition to the water management layer 30, the water repellent layer 28 may contain a hydrophilic substance. For example, the entire diffusion layer may contain a hydrophilic substance. That is, as an example, the water management layer 30, the water repellent layer 28, and the base material layer 26 may contain a hydrophilic substance.
なお、本実施の形態では、カソード側の拡散層20が親水性物質を含有しているが、これに限られるものではない。例えば、カソード側の拡散層20に加えてカソード側の触媒層16が親水性物質を含有してもよい。
In the present embodiment, the cathode-
なお、本実施の形態では、カソード側の拡散層20は、触媒を備えていないが、これに限定されるものではない。カソード側の拡散層20が触媒を備えてもよい。
In the present embodiment, the cathode-
なお、本実施の形態では、水マネジメント層30は、球形で粒状の親水性物質を有する構造であるが、これに限られるものではない。水マネジメント層30は、カソード側での排水を行う層である。 In addition, in this Embodiment, although the water management layer 30 is a structure which has a spherical and granular hydrophilic substance, it is not restricted to this. The water management layer 30 is a layer that performs drainage on the cathode side.
なお、本実施の形態では、カソード側の拡散層20が親水性物質を含有しているが、これに限られるものではない。カソード側に加えて/もしくは、アノード側の拡散層18が、親水性物質を含有してもよい。これらの場合の構成も、同様の実施例で説明できる。以下の実施の形態においても、特に明記しない限り、カソード側の拡散層20の場合を説明するが、アノード側とカソード側の少なくとも一方の拡散層の場合も含む。なお、アノード側の拡散層18が親水性物質を備える場合、水マネジメント層は、アノード側での保水を行う層である。
In the present embodiment, the cathode-
なお、実施の形態において、電解質膜12と触媒層16とカソード側の拡散層20とを、接燃料電池用接合体と称す。燃料電池用接合体は、電解質膜12と触媒層14とアノード側の拡散層18でもよい。燃料電池用接合体は、電解質膜12と触媒層14,16と拡散層18,20でもよい。
In the embodiment, the
[実施の形態1の製造方法]
実施の形態1の製造方法について説明する。以下に説明する製造方法は、一例であり、これに限定されるものではない。図4は、実施の形態1の製造方法を説明するためのフロー図である。まず、基材層を製造する(ステップ110)。カーボンペーパと、PTFE分散液とを用意する。ここで、カーボンペーパは厚さ約150mmのものを用いる。このカーボンペーパに、撥水処理として、PTFE分散液を含浸させる。含浸の比率は、カーボンペーパに対してPTFEを固形比率で5%とする。PTFEを含浸させたカーボンペーパを、常温で乾燥させる。以上の工程により、基材層を製造する。
[Production Method of Embodiment 1]
The manufacturing method of Embodiment 1 is demonstrated. The manufacturing method described below is an example, and the present invention is not limited to this. FIG. 4 is a flowchart for explaining the manufacturing method according to the first embodiment. First, a base material layer is manufactured (step 110). Prepare carbon paper and PTFE dispersion. Here, carbon paper having a thickness of about 150 mm is used. This carbon paper is impregnated with a PTFE dispersion as a water repellent treatment. The impregnation ratio is 5% in terms of solid content of PTFE with respect to carbon paper. Carbon paper impregnated with PTFE is dried at room temperature. A base material layer is manufactured by the above process.
次に、撥水層を製造する。ここでは、まず、アセチレンブラックと、PTFE分散液と、分散助剤とを用意する。アセチレンブラックは1次粒径約40mmである。まず、アセチレンブラックとPTFE分散液を固形比率1:1で配合する。そして、分散助剤を加え、ペースト状とする(ステップ102)。このペーストを、ダイコータを用いて、基材層の一方の表面全体に塗布する。そして、常温で乾燥し、N2雰囲気で約350℃で焼成する。以上の工程により、撥水層を製造する(ステップ104)。 Next, a water repellent layer is manufactured. Here, first, acetylene black, a PTFE dispersion, and a dispersion aid are prepared. Acetylene black has a primary particle size of about 40 mm. First, acetylene black and PTFE dispersion are blended at a solid ratio of 1: 1. Then, a dispersion aid is added to form a paste (step 102). This paste is applied to the entire one surface of the base material layer using a die coater. Then, it is dried at room temperature and fired at about 350 ° C. in an N 2 atmosphere. A water repellent layer is manufactured by the above process (step 104).
続いて、水マネジメント層を製造する。まず、このパーフルオロスルホン酸ポリマー溶液を加熱し、パーフルオロスルホン酸ポリマーの粉末を作成する(ステップ106)。ここで、作成した粉末は平均粒径10μmである。次に、アセチレンブラックと、PVDFとを用意する。パーフルオロスルホン酸ポリマー粉末と、アセチレンブラックと、PVDFを、固形比率1:4:2で配合する(ステップ108)。ここで、アセチレンブラックは1次粒径40mmのものを用いる。そして、配合した物質に、溶媒としてNMPを添加し、混合し、インク状の分散液を作成する(ステップ110)。ここで、NMP溶媒は、PVDFを溶解するが、パーフルオロスルホン酸ポリマーを溶解しない。したがって、パーフルオロスルホン酸ポリマーは粒状を保っている。作成した分散液を、撥水層の表面(基材層の反対側)全体にスプレーにより塗布し、乾燥する。以上の工程により、水マネジメント層を製造する(ステップ112)。以上のステップ110−112より、基材層と、撥水層と、水マネジメント層とを積層した拡散層を製造する。
Subsequently, the water management layer is manufactured. First, the perfluorosulfonic acid polymer solution is heated to prepare a perfluorosulfonic acid polymer powder (step 106). Here, the prepared powder has an average particle diameter of 10 μm. Next, acetylene black and PVDF are prepared. Perfluorosulfonic acid polymer powder, acetylene black, and PVDF are blended at a solid ratio of 1: 4: 2 (step 108). Here, acetylene black having a primary particle size of 40 mm is used. Then, NMP is added as a solvent to the blended substance and mixed to create an ink-like dispersion (step 110). Here, the NMP solvent dissolves PVDF, but does not dissolve the perfluorosulfonic acid polymer. Therefore, the perfluorosulfonic acid polymer remains granular. The prepared dispersion is applied to the entire surface of the water-repellent layer (opposite side of the base material layer) by spraying and dried. A water management layer is manufactured by the above process (step 112). From the
さらに、固体電解質の両方の表面全体に触媒を塗布し、膜・電極接合体(Membrane Electrode Assembly:以下MEAと称す)を製造する(ステップ114)。固体電解質膜と、触媒とを用意する。固体電解質膜としてNR112を用い、触媒として白金を用いる。ここで、白金の塗布の割合は0.5mg/cm2である。 Further, a catalyst is applied to both surfaces of the solid electrolyte to produce a membrane electrode assembly (hereinafter referred to as MEA) (step 114). A solid electrolyte membrane and a catalyst are prepared. NR112 is used as the solid electrolyte membrane and platinum is used as the catalyst. Here, the rate of application of platinum is 0.5 mg / cm 2 .
最後に、燃料電池を作成する(ステップ116)。上記拡散層と、上記MEAと、セパレータを用意する。MEAの両側に、アノード側とカソード側の拡散層を、それぞれ、ホットプレスにより接合する。そして、拡散層を矜持する形で、拡散層のMEAより反対側にアノード側とカソード側のセパレータをそれぞれ接合する。以上の工程により、燃料電池を製造する。 Finally, a fuel cell is created (step 116). The diffusion layer, the MEA, and a separator are prepared. The diffusion layers on the anode side and the cathode side are bonded to both sides of the MEA by hot pressing. Then, the anode-side and cathode-side separators are bonded to the opposite sides of the diffusion layer from the MEA so as to hold the diffusion layer. The fuel cell is manufactured through the above steps.
なお、本実施の形態での製造方法では、ステップ108において、パーフルオロスルホン酸ポリマー粉末5−20%、アセチレンブラック40−90%、PVDF5−20%の範囲で配合する。また、ステップ110において、NMP溶媒は、ステップ108で配合した物質が2−10%の範囲となるように配合する。
In the manufacturing method according to the present embodiment, in
なお、実施の形態1の製造方法では、溶媒はNMPを用いたが、これに限定されるものではない。特に、溶媒は、親水性物質を溶かさない溶媒であることが望ましい。
なお、実施の形態1の製造方法では、パーフルオロスルホン酸ポリマー溶液を加熱し、球形で粒状の親水性物質を作成したが、これに限られるものではない。例えば、膜状のパーフルオロスルホン酸ポリマーを裁断し、粒状の親水性物質を作成してもよい。
In the manufacturing method of Embodiment 1, NMP is used as the solvent, but the solvent is not limited to this. In particular, the solvent is desirably a solvent that does not dissolve the hydrophilic substance.
In the manufacturing method of the first embodiment, the perfluorosulfonic acid polymer solution is heated to produce a spherical and granular hydrophilic substance. However, the present invention is not limited to this. For example, a membrane-like perfluorosulfonic acid polymer may be cut to create a granular hydrophilic substance.
実施の形態2.
[実施の形態2の構成]
実施の形態2は、水マネジメント層31の構成が相違している点を除いて、実施の形態1と同様である。同様な部分は、同じ符号を用いており、詳細な説明を省略する。
Embodiment 2. FIG.
[Configuration of Embodiment 2]
The second embodiment is the same as the first embodiment except that the configuration of the water management layer 31 is different. Similar parts are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.
図5は、実施の形態2をあらわす図であり、カソード側の拡散層21を拡大した図である。水マネジメント層31は、パーフルオロスルホン酸ポリマー44と、アセチレンブラック40と、PVDF42より構成されている。パーフルオロスルホン酸ポリマー44は円柱に近い形状をしている。パーフルオロスルホン酸ポリマー44の存在しない部分には、アセチレンブラック40とPVDF42が相互に支持し、一部に空隙が存在している。
FIG. 5 is a diagram showing the second embodiment, and is an enlarged view of the
実施の形態2は、拡散層21内に十分な空隙を確保しており、実施の形態1と同様に、良好なガス拡散性を示す。また、触媒層16付近で生成した水が、水マネジメント層に含有されたパーフルオロスルホン酸ポリマー44に吸収され、基材層26方向へと排出されるため、実施の形態2は、実施の形態1と同様に、良好な排水性を示す。また、電池内部の水が、パーフルオロスルホン酸ポリマー44内部に留まり、電解質膜の乾燥を防ぐため、実施の形態2は、十分な保水性を示す。
The second embodiment secures a sufficient gap in the
[実施の形態2の製造方法]
実施の形態2の製造方法について説明する。以下に説明する製造方法は、一例であり、これに限定されるものではない。図6は、実施の形態2の製造方法を説明するためのフロー図である。実施の形態2の製造方法は、ステップ106がステップ118に置換されている点を除いて、実施の形態1の製造方法と同様である。同様である部分は、同じステップ番号を用いている。
[Manufacturing Method of Embodiment 2]
A manufacturing method according to the second embodiment will be described. The manufacturing method described below is an example, and the present invention is not limited to this. FIG. 6 is a flowchart for explaining the manufacturing method according to the second embodiment. The manufacturing method of the second embodiment is the same as the manufacturing method of the first embodiment except that
基材層と撥水層の作成(ステップ100−104)に続いて、水マネジメント層を製造する。まず、円柱状のパーフルオロスルホン酸ポリマーを作成する(ステップ118)。ここでは、例えば、あらかじめ膜状に形成されたパーフルオロスルホン酸ポリマーを裁断することで、円柱状のパーフルオロスルホン酸ポリマーを作成する。以下続いて、この円柱状のパーフルオロスルホン酸ポリマーを用いて、水マネジメント層を作成(ステップ108−112)し、燃料電池を製造する(ステップ114−116)。 Following the creation of the substrate layer and the water repellent layer (steps 100-104), a water management layer is manufactured. First, a cylindrical perfluorosulfonic acid polymer is prepared (step 118). Here, for example, a columnar perfluorosulfonic acid polymer is prepared by cutting a perfluorosulfonic acid polymer formed in a film shape in advance. Subsequently, using this columnar perfluorosulfonic acid polymer, a water management layer is created (steps 108-112), and a fuel cell is manufactured (steps 114-116).
[実施の形態2の製造方法の変形例]
実施の形態2の製造方法の変形例について説明する。実施の形態2の製造方法の変形例は、ステップ106−112を除いて、実施の形態1の製造方法と同様である。
[Modification of Manufacturing Method of Embodiment 2]
A modification of the manufacturing method of the second embodiment will be described. A modification of the manufacturing method of the second embodiment is the same as the manufacturing method of the first embodiment except for steps 106-112.
基材層と撥水層の作成(ステップ100−104)に続いて、水マネジメント層を製造する。作成した撥水層の表面に、レーザーで円柱状の穴を作成する。この穴は、直径1−200μm、深さ50−100μmである。そして、作成した穴に、パーフルオロスルホン酸ポリマーの溶液を浸す。ここで、パーフルオロスルホン酸ポリマーの溶液中の濃度は、5%−20%の範囲のものを用いる。穴内で、パーフルオロスルホン酸ポリマーの溶液は成形され、円柱状のパーフルオロスルホン酸ポリマーが作成される。以上により、水マネジメント層を作成する。以下続いて、燃料電池を製造する(ステップ114−116)。
Following the creation of the substrate layer and the water repellent layer (steps 100-104), a water management layer is manufactured. A cylindrical hole is created with a laser on the surface of the water-repellent layer. The hole has a diameter of 1 to 200 μm and a depth of 50 to 100 μm. Then, the perfluorosulfonic acid polymer solution is immersed in the created hole. Here, the concentration of the perfluorosulfonic acid polymer in the solution is in the range of 5% -20%. Within the hole, the perfluorosulfonic acid polymer solution is molded to create a cylindrical perfluorosulfonic acid polymer. The water management layer is created as described above. Subsequently, a fuel cell is manufactured (
実施の形態3.
[実施の形態3の構成]
実施の形態3は、実施の形態1と比較して、拡散層45が相違している。実施の形態3の拡散層45以外の部分は、実施の形態1と同様であるので、説明を省略する。
Embodiment 3 FIG.
[Configuration of Embodiment 3]
The third embodiment is different from the first embodiment in the
図7は、実施の形態3をあらわす図であり、カソード側の拡散層45を拡大した図である。拡散層45は、空気(酸素)ガスの供給される側から触媒層16側の方向へ、基材層26と、中間層46と、コンタクト層48とを積層して形成されている。基材層26は、実施の形態1と同様の構成であり、説明を省略する。
FIG. 7 is a diagram showing the third embodiment, and is an enlarged view of the
コンタクト層48は、微小炭素繊維54と撥水材とを備えている。ここで、撥水材はPTFE52を用いている。微小炭素繊維54を繋ぐようにPTFE52が備えられている。微小炭素繊維54とPTFE52の存在しない部分には、空隙が存在している。なお、コンタクト層48に存在する細孔の径(以下、細孔径と称す)は、0.5−1.0μmの範囲に分布ピークを有している。また、コンタクト層48の空隙率は、60−90%であり、十分に大きくなっている。
The contact layer 48 includes
中間層46は、粒状黒鉛50と撥水材とを備えている。ここで、撥水材はPTFE52を用いている。粒状黒鉛50を支持するようにPTFE52が配置されている。粒状黒鉛50とPTFE52の存在しない部分に、適度な空隙が確保されている。中間層46の細孔径は、十分に大きいものとなっている。具体的には、中間層46に存在する細孔径は、1μm以上に分布ピークを有している。さらに、中間層46での細孔径の分布ピークは、コンタクト層48での細孔径の分布ピークより、大きくなっている。また、中間層46の空隙率は、40−60%である。中間層46の空隙率は、コンタクト層48の空隙率より、小さくなっている。
The intermediate layer 46 includes
[実施の形態3の作用]
上述のとおり、燃料電池10の動作の際に、カソード側の触媒層16付近で水が生成する。コンタクト層は、空隙率が大きいことから、水の吸収力が高い。よって、生成された水の一部は、コンタクト層48に速やかに吸収されて触媒層16付近から除去される。
[Operation of Embodiment 3]
As described above, during the operation of the
コンタクト層48の細孔径に対して、中間層46の細孔径の方が大きくなっている。ここで、液体は、細孔径の大きい方向に透過しやすい特性がある。よって、コンタクト層48に含まれる液状の水は、中間層46へ速やかに移動しやすい。 The pore diameter of the intermediate layer 46 is larger than the pore diameter of the contact layer 48. Here, the liquid has a characteristic that it easily permeates in the direction in which the pore diameter is large. Therefore, the liquid water contained in the contact layer 48 tends to move quickly to the intermediate layer 46.
中間層46の細孔径は十分に大きい。液体は、細孔径が大きいと、透過しやすい性質がある。よって、液状の水は、中間層46を透過し、基材層26方向へ排出されやすい。従って、液水の水が多量に存在する状況下では、本実施の形態3の構造は高い排水力を示す。 The pore diameter of the intermediate layer 46 is sufficiently large. If the liquid has a large pore diameter, the liquid has a property of being easily transmitted. Therefore, liquid water easily passes through the intermediate layer 46 and is discharged toward the base material layer 26. Therefore, under the situation where a large amount of liquid water exists, the structure of the third embodiment shows a high drainage power.
コンタクト層48の空隙率に対して中間層46の空隙率の方が、適度に小さくなっている。ガスは、空隙率が小さい方向に透過しにくい特性を持つ。ここで、中間層46に含まれる水の一部は、排出されるガスに含まれる形で、基材層26方向へ移動する。中間層46に含まれる水は、ガスの透過が小さい方向に排出されにくい。よって、空気(酸素)ガスの流動による、コンタクト層48から中間層46方向への水の排出は適度に抑制される。例えば高温時には、液体の水が少なくなる。このとき、水の排出は、ガスによる割合が大きくなる。本実施の形態は、ガスによる排出がされ難いため、この様な状況下では小さな排水力を示す。したがって、本実施の形態の構造によれば、生成される水の量が少ない状況下では、優れた保湿性が得られる。 The porosity of the intermediate layer 46 is appropriately smaller than the porosity of the contact layer 48. Gas has a characteristic that it is difficult to permeate in a direction in which the porosity is small. Here, a part of the water contained in the intermediate layer 46 moves toward the base material layer 26 in a form contained in the discharged gas. The water contained in the intermediate layer 46 is difficult to be discharged in the direction in which the gas permeation is small. Therefore, the discharge of water from the contact layer 48 toward the intermediate layer 46 due to the flow of air (oxygen) gas is moderately suppressed. For example, liquid water is reduced at high temperatures. At this time, the rate of water discharge is increased by the gas. In this embodiment, since it is difficult for gas to be discharged, under such circumstances, a small drainage power is shown. Therefore, according to the structure of the present embodiment, excellent moisture retention can be obtained under a situation where the amount of generated water is small.
以上により、本実施の形態3は、高い排水性と優れた保湿性を持つ。また、本実施の形態3は、拡散層45内部に十分な細孔を確保しているため、十分なガス拡散性を示す。
As described above, the third embodiment has high drainage and excellent moisture retention. In addition, the third embodiment shows sufficient gas diffusibility because sufficient pores are secured inside the
[実施の形態3の効果]
図8は、実施の形態3と比較例3とを評価した結果をあらわす図である。アノードとカソードを加湿することなく燃料電池を動作させた際の、電圧と冷却水出口温度とを示す。ここで、縦軸は電圧をあらわし、横軸は温度をあらわす。図8において、黒丸は実施の形態3を、白丸は比較例3をあらわす。
[Effect of Embodiment 3]
FIG. 8 is a diagram showing the results of evaluating Embodiment 3 and Comparative Example 3. The voltage and cooling water outlet temperature when the fuel cell is operated without humidifying the anode and the cathode are shown. Here, the vertical axis represents voltage, and the horizontal axis represents temperature. In FIG. 8, black circles indicate the third embodiment, and white circles indicate the third comparative example.
ここで、比較例3は、実施の形態3と比較して、中間層を設けず、さらに、コンタクト層の微小炭素繊維はアセチレンブラックである、燃料電池である。 Here, the comparative example 3 is a fuel cell in which no intermediate layer is provided and the fine carbon fiber of the contact layer is acetylene black as compared with the third embodiment.
図8の低温時における、実施の形態3と比較例3との比較結果について説明する。低温時、実施の形態3は、比較例3より、十分に電圧が高くなっている。低温時、電池内部では、水は過多状態にある。このとき、水は液状で存在している場合が多い。比較例3では、触媒層16付近で生成した水の一部が、拡散層の空隙を塞ぎ、ガス拡散性を阻害し、電池性能が低下していると考えられる。一方、実施の形態3では、低温時、触媒層16付近で生成した水の一部は、コンタクト層48に吸収され、中間層46に移動し、基材層26方向へ排出されると考えられる。よって、本実施の形態3は高い排出力と十分なガス拡散性を示すと考えられる。
A comparison result between the third embodiment and the comparative example 3 at the low temperature in FIG. 8 will be described. At a low temperature, the voltage in Embodiment 3 is sufficiently higher than that in Comparative Example 3. At low temperatures, water is in excess in the battery. At this time, water often exists in a liquid state. In Comparative Example 3, it is considered that part of the water generated in the vicinity of the
図8の高温時における、実施の形態3と比較例3との比較結果について説明する。高温時、実施の形態3は、比較例3より十分に電圧が高くなっている。高温時、電池内部では、水は不足気味である。このとき、電解質膜が乾燥しやすい環境である。比較例3では、中間層が存在せず、電池内部の水の過度の排出が生じ、電解質膜が乾燥し、電池性能が低下していると考えられる。一方、実施の形態3では、中間層46があり、コンタクト層48及び中間層46に含まれる水は排出されにくいと考えられる。よって、実施の形態3は、水の過度の排出を抑制でき、保水力を持つと考えられる。 A comparison result between the third embodiment and the comparative example 3 at the time of high temperature in FIG. 8 will be described. The voltage in Embodiment 3 is sufficiently higher than that in Comparative Example 3 at high temperatures. At high temperatures, water is scarce inside the battery. At this time, the electrolyte membrane is easily dried. In Comparative Example 3, it is considered that there is no intermediate layer, excessive discharge of water inside the battery occurs, the electrolyte membrane is dried, and the battery performance is degraded. On the other hand, in the third embodiment, the intermediate layer 46 is provided, and it is considered that water contained in the contact layer 48 and the intermediate layer 46 is difficult to be discharged. Therefore, Embodiment 3 can suppress excessive discharge of water and is considered to have water retention.
また、氷結の際の実施の形態3の効果について説明する。氷は、結晶となる際、細孔径の大きい方へ成長する性質を持つ。実施の形態3では、細孔径は、コンタクト層48より中間層46の方が大きくなっている。実施の形態3では、コンタクト層48から中間層46へと、氷は結晶成長する。ここで、触媒層16付近で水が生じることから、触媒層16付近、及び、触媒層16と拡散層45の接合面付近などで、氷が生じやすい。これらの部位は、燃料電池10の内部で最も強度の小さい部位に相当する。これらに対して、拡散層45は比較的強固に形成されている。したがって、実施の形態3は、拡散層20内部で氷の結晶成長が起こることから、触媒層16付近、及び、触媒層16と拡散層45の接合面付近に氷結によって不当な圧力が加わるのを防ぐことができる。
The effect of the third embodiment at the time of freezing will be described. When ice becomes a crystal, it has the property of growing toward the larger pore size. In the third embodiment, the pore diameter of the intermediate layer 46 is larger than that of the contact layer 48. In the third embodiment, ice grows from the contact layer 48 to the intermediate layer 46. Here, since water is generated in the vicinity of the
なお、本実施の形態では、拡散層45は、コンタクト層48と中間層46と基材層26を積層に備えているが、これに限定されるものではない。例えば、基材層を省略してもよい。
In the present embodiment, the
なお、本実施の形態では、拡散層45は、親水性物質を含んでいないが、局所的に親水性物質を含んでもよい。より具体的には、球形で粒状の親水性物質を含んでもよい。また、コンタクト層48、中間層46、基材層26の少なくとも1つが局所的に親水性物質を含んでよい。
In the present embodiment, the
なお、本実施の形態では、触媒層16に接するコンタクト層48の細孔径に対して中間層46の細孔径の方が大きくなっているが、これに限られるものではない。拡散層45に細孔径の大きくなる領域を備えていればよい。例えば、中間層46の細孔径に対して基材層26の細孔径が大きくなっていてもよい。
In the present embodiment, the pore diameter of the intermediate layer 46 is larger than the pore diameter of the contact layer 48 in contact with the
なお、本実施の形態では、触媒層16に接するコンタクト層48の空隙率に対して中間層46の空隙率の方が小さくなっているが、これに限られるものではない。拡散層45に空隙率の小さくなる領域を備えていればよい。例えば、中間層46の空隙率に対して基材層26の空隙率が小さくなっていてもよい。
In the present embodiment, the porosity of the intermediate layer 46 is smaller than the porosity of the contact layer 48 in contact with the
なお、細孔径とは、細孔の径をあらわす。また、空隙率とは、総体積に対する空隙部分の比率をあらわす。空隙率は、孔隙率もしくは多孔度でもよい。 The pore diameter represents the pore diameter. The porosity indicates the ratio of the void portion to the total volume. The porosity may be porosity or porosity.
[実施の形態3の製造方法]
実施の形態3の製造方法について説明する。以下に説明する製造方法は、一例であり、これに限定されるものではない。図9は、実施の形態3の製造方法を説明するためのフロー図である。実施の形態3の製造方法は、ステップ102−112がステップ120−128に置換されている点を除いて、実施の形態1の製造方法と同様である。同様である部分は、同じステップ番号を用いており、詳細な説明は省略する。
[Manufacturing Method of Embodiment 3]
A manufacturing method according to the third embodiment will be described. The manufacturing method described below is an example, and the present invention is not limited to this. FIG. 9 is a flowchart for explaining the manufacturing method according to the third embodiment. The manufacturing method of the third embodiment is the same as the manufacturing method of the first embodiment except that steps 102-112 are replaced by steps 120-128. The same step numbers are used for the same parts, and detailed description is omitted.
基材層の作成に続いて、中間層を作成する。ここではまず。球状黒鉛とPTFE分散液とを用意する。ここで、球状黒鉛は、平均粒径約10μmのものを用いる。球状黒鉛とPTFE分散液とを固形分比率で1:1となるように配合する。さらに、分散助剤を加え、ペースト状とする(ステップ120)。作成したペーストを、ダイコータを用いて、基材層の一方の面に塗布した後、常温で乾燥する。以上の工程により、中間層を作成する(ステップ122)。 Subsequent to the production of the base material layer, an intermediate layer is produced. First here. Prepare spherical graphite and PTFE dispersion. Here, spherical graphite having an average particle diameter of about 10 μm is used. Spherical graphite and PTFE dispersion are blended so that the solid content ratio is 1: 1. Further, a dispersion aid is added to form a paste (step 120). The prepared paste is applied to one surface of the base material layer using a die coater and then dried at room temperature. The intermediate layer is created by the above process (step 122).
そして、コンタクト層を製造する。まず、微小炭素繊維とPTFE分散液とを用意する。ここで、微小炭素繊維は気相成長法により形成され、繊維径0.15μm、繊維長10−20μmのものを用いる。微小炭素繊維とPTFE分散液とを固形分比率で1:1となるように配合する。さらに、分散助剤を加え、ペースト状とする(ステップ124)。作成したペーストを、ダイコータを用いて中間層の一面(基材層と反対側)に塗布した後、常温で乾燥する。以上の工程により、コンタクト層を作成する(ステップ126)。 Then, a contact layer is manufactured. First, a fine carbon fiber and a PTFE dispersion are prepared. Here, the fine carbon fiber is formed by vapor phase growth, and has a fiber diameter of 0.15 μm and a fiber length of 10-20 μm. Fine carbon fibers and PTFE dispersion are blended so that the solid content ratio is 1: 1. Further, a dispersion aid is added to form a paste (step 124). The prepared paste is applied to one side of the intermediate layer (the side opposite to the base material layer) using a die coater, and then dried at room temperature. A contact layer is formed by the above process (step 126).
続いて、基材層と中間層とコンタクト層との積層構造を、N2雰囲気で350℃で焼成し、拡散層を作成する(ステップ128)。これに続き、MEAと燃料電池とを作成する。 Subsequently, the laminated structure of the base material layer, the intermediate layer, and the contact layer is baked at 350 ° C. in an N 2 atmosphere to create a diffusion layer (step 128). Following this, the MEA and fuel cell will be created.
10 燃料電池
12 電解質膜
14 アノード側触媒層
16 カソード側触媒層
18 アノード側拡散層
20 カソード側拡散層
21 カソード側拡散層
26 基材層
28 撥水層
30 水マネジメント層
31 水マネジメント層
38 パーフルオロスルホン酸ポリマー
44 パーフルオロスルホン酸ポリマー
45 カソード側拡散層
46 中間層
48 コンタクト層
DESCRIPTION OF
Claims (8)
前記電解質膜に接し、燃料ガスの反応を促進させる触媒層と、
前記触媒層に接し、前記燃料ガスを拡散させる拡散層と、
前記拡散層に設けられ、局所的に親水性物質を有する水マネジメント層と、
を備えることを特徴とする燃料電池用接合体。 An electrolyte membrane;
A catalyst layer that contacts the electrolyte membrane and promotes the reaction of the fuel gas;
A diffusion layer in contact with the catalyst layer and diffusing the fuel gas;
A water management layer provided in the diffusion layer and having a hydrophilic substance locally;
A fuel cell assembly comprising:
前記水マネジメント層は、前記触媒層に接する拡散層界面を少なくとも含むことを特徴とする燃料電池用接合体。 The fuel cell assembly according to claim 1,
The fuel cell assembly according to claim 1, wherein the water management layer includes at least a diffusion layer interface in contact with the catalyst layer.
前記拡散層はカソード側の拡散層であることを特徴とする燃料電池用接合体。 A fuel cell assembly according to any one of claims 1 and 2,
The fuel cell assembly according to claim 1, wherein the diffusion layer is a diffusion layer on the cathode side.
前記親水性物質は、球形で粒状の親水性物質であることを特徴とする燃料電池用接合体。 A fuel cell assembly according to claim 3, wherein
The fuel cell assembly according to claim 1, wherein the hydrophilic substance is a spherical and granular hydrophilic substance.
前記拡散層はアノード側の拡散層であり、
前記親水性物質は、球形で粒状の親水性物質であることを特徴とする燃料電池用接合体。 A fuel cell assembly according to any one of claims 1 and 2,
The diffusion layer is a diffusion layer on the anode side;
The fuel cell assembly according to claim 1, wherein the hydrophilic substance is a spherical and granular hydrophilic substance.
前記拡散層には、触媒層から離反する方向へ細孔径が大きくなる領域を備えることを特徴とする燃料電池用接合体。 A fuel cell assembly according to any one of claims 1-4,
The fuel cell assembly according to claim 1, wherein the diffusion layer includes a region in which the pore diameter increases in a direction away from the catalyst layer.
前記拡散層には、触媒層から離反する方向へ空隙率が小さくなる領域を備えることを特徴とする燃料電池用接合体。 A fuel cell assembly according to any one of claims 1-5,
The fuel cell assembly according to claim 1, wherein the diffusion layer includes a region where the porosity decreases in a direction away from the catalyst layer.
前記親水性物質と細孔材と溶媒とを混合してペーストを作成する工程と、
前記ペーストを膜状にして乾燥させる工程とを備え、
前記溶媒は前記親水性物質を溶融させないものであることを特徴とする水マネジメント層製造方法。 Creating a granular hydrophilic substance;
A step of mixing the hydrophilic substance, the pore material and a solvent to prepare a paste;
A step of drying the paste into a film,
The method for producing a water management layer, wherein the solvent does not melt the hydrophilic substance.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2006126439A JP4736936B2 (en) | 2006-04-28 | 2006-04-28 | Fuel cell assembly |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2006126439A JP4736936B2 (en) | 2006-04-28 | 2006-04-28 | Fuel cell assembly |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2007299625A true JP2007299625A (en) | 2007-11-15 |
JP4736936B2 JP4736936B2 (en) | 2011-07-27 |
Family
ID=38768948
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2006126439A Active JP4736936B2 (en) | 2006-04-28 | 2006-04-28 | Fuel cell assembly |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP4736936B2 (en) |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2010153354A (en) * | 2008-11-27 | 2010-07-08 | Toyota Motor Corp | Fuel cell simulation model forming device |
JP2013178980A (en) * | 2012-02-29 | 2013-09-09 | Toyota Motor Corp | Fuel cell, gas diffusion layer for fuel cell, and method for manufacturing the same |
JP2014022119A (en) * | 2012-07-13 | 2014-02-03 | Japan Vilene Co Ltd | Moisture control sheet, gas diffusion sheet, film-electrode assembly and solid polymer fuel battery |
Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH07134992A (en) * | 1993-11-08 | 1995-05-23 | Toyota Central Res & Dev Lab Inc | Fuel cell |
JP2001338655A (en) * | 2000-05-30 | 2001-12-07 | Sanyo Electric Co Ltd | Fuel cell |
JP2005228755A (en) * | 1999-09-21 | 2005-08-25 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | Polymer electrolyte fuel cell |
-
2006
- 2006-04-28 JP JP2006126439A patent/JP4736936B2/en active Active
Patent Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH07134992A (en) * | 1993-11-08 | 1995-05-23 | Toyota Central Res & Dev Lab Inc | Fuel cell |
JP2005228755A (en) * | 1999-09-21 | 2005-08-25 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | Polymer electrolyte fuel cell |
JP2001338655A (en) * | 2000-05-30 | 2001-12-07 | Sanyo Electric Co Ltd | Fuel cell |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2010153354A (en) * | 2008-11-27 | 2010-07-08 | Toyota Motor Corp | Fuel cell simulation model forming device |
JP2013178980A (en) * | 2012-02-29 | 2013-09-09 | Toyota Motor Corp | Fuel cell, gas diffusion layer for fuel cell, and method for manufacturing the same |
JP2014022119A (en) * | 2012-07-13 | 2014-02-03 | Japan Vilene Co Ltd | Moisture control sheet, gas diffusion sheet, film-electrode assembly and solid polymer fuel battery |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JP4736936B2 (en) | 2011-07-27 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP3866077B2 (en) | Method for preparing a membrane electrode assembly | |
US9911992B2 (en) | Self-wetting membrane electrode unit and fuel cell having such a unit | |
JP3594533B2 (en) | Fuel cell | |
US8323848B2 (en) | Membrane-electrode assembly for fuel cell, preparation method, and fuel cell comprising the same | |
JP5118372B2 (en) | Direct methanol fuel cell | |
JP4612569B2 (en) | Membrane electrode structure for polymer electrolyte fuel cell | |
KR100773669B1 (en) | Direct-type fuel cell and direct-type fuel cell system | |
JP2008117624A (en) | Membrane electrode assembly for solid polymer fuel cell, and solid polymer electrolyte fuel cell | |
JP2012209268A (en) | Method for producing gas diffusion electrode and polymer electrolyte fuel cell, and gas diffusion electrode and polymer electrolyte fuel cell | |
JP5055854B2 (en) | Membrane / electrode assembly for fuel cells | |
JP2007250279A (en) | Membrane-electrode structural body for solid polymer fuel cell | |
JP2007095582A (en) | Manufacturing method of membrane electrode assembly | |
JP2009199988A (en) | Anode electrode for direct methanol fuel cell and direct methanol type fuel cell using the same | |
KR100658739B1 (en) | Polymer membrane for fuel cell and method for preparating the same | |
KR20140003894A (en) | Microporous layer used for fuel cell, gas diffusion layer comprising the same and fuel cell comprising the same | |
JP4736936B2 (en) | Fuel cell assembly | |
JP2007234359A (en) | Membrane electrode assembly for solid polymer fuel cell | |
JP2003068330A (en) | Solid polymer fuel cell | |
KR100645832B1 (en) | Membrane electrode assembly for pemfc, method for preparing the same, and fuel cell using the same | |
Scott | Membrane electrode assemblies for polymer electrolyte membrane fuel cells | |
CN113437338B (en) | Fuel cell membrane electrode and preparation method thereof | |
JP2008262741A (en) | Microporous layer (mpl), gas diffusion layer (gdl), membrane electrode assembly (mega) with microporous layer (mpl), and solid polymer electrolyte fuel cell equipped with the membrane electrode assembly (mega) | |
JP5339261B2 (en) | Fuel cell | |
JP2007165188A (en) | Membrane-electrode assembly of polymer fuel cell | |
JP2010146765A (en) | Assembly for fuel cell, fuel cell, and manufacturing method of them |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20080716 |
|
A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20110114 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20110118 |
|
A521 | Written amendment |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20110216 |
|
TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20110405 |
|
A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20110418 |
|
R151 | Written notification of patent or utility model registration |
Ref document number: 4736936 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R151 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20140513 Year of fee payment: 3 |