JP4788130B2 - 燃料電池用ガス拡散層および燃料電池の製造方法 - Google Patents
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Description
(a)前記燃料電池用ガス拡散層の基材となる導電性多孔質体を用意する工程と、
(b)一方の面上に電極層を形成した酸化用電解質層の他方の面と、前記導電性多孔質体の一方の表面とが対向するように、前記酸化用電解質層と前記導電性多孔質体とを積層する工程と、
(c)前記電極層における電極電位と前記導電性多孔質体における電位との差が、前記導電性多孔質体表面で親水基を生じる電気化学的酸化反応が進行可能となる値となるように、前記電極層と前記導電性多孔質体との間に電圧を印加する工程と
を備えることを要旨とする。
前記導電性多孔質体は、少なくとも前記一方の表面に炭素を備えており、
前記(c)工程は、前記導電性多孔質体に対して水蒸気を供給しつつ、電圧を印加し、前記水蒸気を用いて前記炭素を酸化することによって前記導電性多孔質体表面に親水基を導入することとしても良い。
前記酸化用電解質層は、プロトン伝導性を有する電解質層であり、
前記(c)工程は、
(c−1)前記導電性多孔質体に対して水蒸気を含有する不活性ガスを供給しつつ、前記電極層に対して所定のガスを供給する工程と、
(c−2)前記導電性多孔質体を所定の外部電源の正極に接続すると共に、前記電極層を前記外部電源の負極に接続し、前記所定のガスを供給したときの前記電極層における電極電位に基づいて定まる大きさの電圧を、前記外部電源によって前記電極層および前記導電性多孔質体間に印加して、前記炭素を酸化する工程と
を備えることとしても良い。
前記(b)工程は、前記導電性多孔質体の前記一方の表面における所定の領域に親水基を導入する工程であり、前記酸化用電解質層と前記導電性多孔質体とを積層する際に、前記酸化用電解質層と前記導電性多孔質体との界面における前記所定の領域以外の領域に、前記導電性多孔質体と前記酸化用電解質層との間のプロトンの移動を許容しない非プロトン伝導領域を設けることとしても良い。
前記(a)工程は、前記導電性多孔質体における前記一方の表面を、予め撥水処理する工程を含むこととしても良い。
(A)プロトン伝導性を有する電解質層の両面に、触媒を備える電極を形成する工程と、
(B)前記電極を形成した前記電解質層を挟持するように、電気化学反応に供するガスが流通するガス拡散層として、導電性多孔質体を配設する工程と
を備え、
前記(B)工程は、前記電解質層を挟持する前記導電性多孔質体の少なくとも一方として、請求項1ないし9いずれか記載の燃料電池用ガス拡散層の製造方法によって製造した前記燃料電池用ガス拡散層を用い、該燃料電池用ガス拡散層を、前記親水基が導入された表面が前記電極に接するように配設する工程であることを要旨とする。
(A)プロトン伝導性を有する電解質層の両面に、触媒を備える電極を形成する工程と、
(B)前記電極を形成した前記電解質層を挟持するように、電気化学反応に供するガスが流通するガス拡散層として、導電性多孔質体を配設する工程と、
(C)前記導電性多孔質体のさらに外側に、表面に所定の凹凸形状を有して、該凹凸形状の凸部の端部において前記導電性多孔質体と当接すると共に、前記凸部間に形成される凹部によって前記導電性多孔質体との間に前記ガスの流路を形成するガスセパレータを配設する工程と
を備え、
前記(B)工程は、前記電解質層を挟持する前記導電性多孔質体の少なくとも一方として、請求項5ないし8いずれか記載の燃料電池用ガス拡散層の製造方法によって製造した前記燃料電池用ガス拡散層を用い、該燃料電池用ガス拡散層を、前記親水基が導入された表面が前記電極に接するように配設する工程であり、
前記(C)工程は、前記燃料電池用ガス拡散層において親水基を導入した前記所定の領域と、前記凹部とが対応するように、前記ガスセパレータを位置合わせしつつ配設する工程であることを要旨とする。
前記(B)工程は、少なくとも、電気化学反応に伴って生成水が生じる電極側において、請求項5ないし8いずれか記載の燃料電池用ガス拡散層の製造方法によって製造した前記燃料電池用ガス拡散層を用いることとしても良い。
前記電極と接する側の表面の、前記ガスセパレータの前記凹部に対応する領域が、親水性を示す親水領域となっており、前記ガスセパレータの前記凸部に対応する領域が、撥水性を示す領域となっていることを要旨とする。
プロトン伝導性を有する固体高分子膜から成る電解質層と、
前記電解質層の両面に形成されると共に触媒を備える電極と、
前記電極が表面に形成された前記電解質層を挟持するように配設されると共に、電子伝導性を有する多孔質体によって形成されるガス拡散層と、
前記ガス拡散層のさらに外側に配設されると共に、表面に所定の凹凸形状を有して、該凹凸形状の凸部の端部において前記ガス拡散層と当接し、前記凸部間に形成される凹部によって、前記ガス拡散層との間に電気化学反応に供されるガス流路を形成するガスセパレータと、を備え、
前記ガス拡散層は、前記電極と接する側の表面の、前記ガスセパレータの前記凹部に対応する領域が、親水性を示す親水領域となっており、前記ガスセパレータの前記凸部に対応する領域が、撥水性を示す領域となっていることを要旨とする。
A.燃料電池の構成:
B.ガス拡散層17の製造方法:
C.発電時の動作:
D.効果:
E.電気化学的酸化に関するその他の実施例:
F.変形例:
本発明の実施例である燃料電池は、固体高分子型燃料電池であり、単セルを複数積層したスタック構造を有している。図1は、実施例の燃料電池を構成する単セル10の概略構成を現わす断面模式図である。単セル10は、電解質を含むMEA(膜−電極接合体、Membrane Electrode Assembly)12と、MEA12を両側から挟持してサンドイッチ構造を形成するガス拡散層16,17と、このサンドイッチ構造をさらに両側から挟持するセパレータ20,21とを備えている。ここで、セパレータ20とガス拡散層16との間には、水素を含有する燃料ガスが通過する単セル内燃料ガス流路22が形成されている。また、セパレータ21とガス拡散層17との間には、酸素を含有する酸化ガスが通過する単セル内酸化ガス流路23が形成されている。
図2は、カソード側で用いるガス拡散層17の製造方法を表わす工程図である。ガス拡散層17を製造する際には、まず、既述したカーボンクロスなどの、カーボン多孔質体を用意する(ステップS100)。次に、ステップS100で用意したカーボン多孔質体の一方の表面を撥水処理し、撥水層を形成する(ステップS110)。具体的には、この撥水処理は、例えば、カーボン粉と、フッ素系樹脂等の撥水性樹脂とを含むペーストを、カーボン多孔質体の一方の面上に塗布することにより行なうことができる。なお、アノード側で用いるガス拡散層16としては、ステップS110で撥水層を形成したカーボン多孔質体と同様のカーボン多孔質体がそのまま用いられる。
燃料電池が発電する際には、アノード14では以下の(1)式に示す反応が進行すると共に、カソード15では以下の(2)式に示す反応が進行し、燃料電池全体では以下の(3)式に示す反応が進行する。
(1/2)O2 + 2H+ + 2e- → H2O …(2)
H2 + (1/2)O2 → H2O …(3)
以上のように構成された本実施例の燃料電池によれば、電極周辺における排水性と電解質層13への水の供給とを両立するために親水層32および撥水層30を設けたガス拡散層17を作製する際に、電気化学的酸化によって、撥水層118を形成したカーボン多孔質体117表面の炭素を酸化して親水層32を形成しているため、親水層を設けてもガス拡散層17表面に段差が生じることがない。したがって、親水層を設けることに起因して、ガス拡散層17とカソード15との間で部分的に接触抵抗の大きな領域が生じることがなく、電池性能が低下することがない。さらに、ガス拡散層17表面に電気化学的酸化により親水基を導入しているため、親水層32のガス拡散層17への固着強度が不十分となることがなく、親水層を設けたことに起因して燃料電池の耐久性が低下することがない。特に、本実施例では、一旦撥水処理を施したガス拡散層17表面に親水層32を形成しているが、このように性質の大きく異なる層を隣接して設ける場合にも、電気化学的酸化を利用して親水層を形成する場合には、親水性物質を塗布して親水層を形成する場合とは異なり、親水層32を設けた領域に段差が生じたり親水層32の固着強度が不十分となることがない。
表面に撥水層118を形成したカーボン多孔質体117上に親水層32を形成する際には、図4に示す以外の構成を採用することとしても良い。例えば、図4では、構造体40において、親水層32を形成すべき領域に接するように触媒層42を設けているが、このような触媒層42は設けないこととしても良い。触媒層42を備えない構造体140を用いて電気化学的酸化を行なう様子を図10に示す。図10に示す構造体140は、図4の構造体40と類似の構成を有するため、図4と共通する部分には同じ参照番号を付して説明を省略する。図10では、構造体140の電解質層113上には、図4と同様の絶縁層43が設けられているが、触媒層42は有していないため、カーボン多孔質体117表面における親水層32を形成すべき領域と、電解質層113とは、直接接している。ここでは、構造体140と、カーボン多孔質体117およびセパレータ121との間で、積層方向に加えられる押圧力により、カーボン多孔質体117と電解質層113との間の接触が確保されている。このような構造体140を用いても、既述した実施例と同様のガス拡散層17を作製することができる。このように、電気化学的酸化が進行するためには、触媒層42は必ずしも必要ではなく、カーボン多孔質体117の表面と電解質層113とが接していれば、電気化学的酸化に伴い生じたプロトンを電解質層113に受け渡し、親水層32を形成することができる。
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
実施例のガス拡散層17では、セパレータ21の溝部、すなわち単セル内酸化ガス流路23に対応する領域に親水層32を設けることとしたが、これに限るものではない。既述したように、溝部に対応する領域に親水層32を設けると、生成水を排水する際の生成水の移動距離が短くて済み、排水効率が高まり好ましい。しかしながら、ガス拡散層表面における他の領域に部分的に親水層を設ける場合であっても、親水層によって生成水をガス拡散層内に導いて、電極表面での水の滞留を抑える効果と、撥水層によって生成水を電解質層13側へと押し戻す効果とを、同様に得ることができる。
実施例では、ガス拡散層17は、その表面に、親水層32および撥水層30を備えることとしたが、撥水層を設けない構成も可能である。すなわち、図2に示したガス拡散層17の製造工程において、ステップS110の撥水処理の工程を行なうことなく、ステップS120の電気化学的酸化の処理のみを行なうこととしても良い。このような場合にも、親水層を設けることで電極近傍の排水性を向上させる効果を得ることができる。また、親水層を形成するために電気化学的酸化を利用することで、電気化学的酸化の処理の条件を調節して親水化の程度を精度良く調節し、所望の親水性を有するガス拡散層を作製する効果が得られる。
また、実施例では、ガス拡散層とセパレータ表面の凹部との間に形成される空間を単セル内ガス流路としているが、異なる構成の燃料電池に本発明を適用することも可能である。例えば、平坦な板状のガス拡散層の外側に、同じく凹凸を有しない平坦な板状のセパレータを配設し、多孔質体であるガス拡散層の内部空間全体を、単セル内ガス流路とする構成としても良い。この場合にも、触媒層と接するガス拡散層表面を部分的に親水化すればよく、他の領域は予め撥水処理しておけばよい。また、固体高分子型以外の燃料電池であれば、親水層をより広く形成しても良く、さらに、他の領域は積極的な撥水処理を行なわないこととしても良く、あるいは、触媒層と接するガス拡散層表面の全面に親水層を設けても良い。
実施例では、電気化学的酸化により親水層を形成するガス拡散層を、カーボン多孔質体により形成したが、カーボン以外の導電性材料によってガス拡散層を形成しても良く、例えば、金属多孔質体を用いても良い。この場合には、ガス拡散層と成す多孔質体の表面において、少なくとも電気化学的酸化による親水化処理を施す領域に、カーボンを担持させておけば、同様に炭素の電気化学的酸化による親水処理を施すことができる。カーボンの担持は、例えば、カーボン粒子を含有するペーストを、上記金属多孔質体の表面に塗布することにより行なうことができる。金属多孔質体の表面に予め撥水層を形成する場合には、カーボン粒子と共にフッ素系樹脂などの撥水性物質を含有するペーストを、金属多孔質体表面に塗布し、カーボン粒子および撥水性物質を金属多孔質体上に付着させればよい。
実施例では、親水層32を形成したガス拡散層17を、カソード側に配設したが、同様のガス拡散層を、アノード側、すなわち生成水が生じない側に配設することとしても良い。アノード側に供給する燃料ガスがある程度の水蒸気を含有している場合には、低温時にはこのような燃料ガス中の水が凝縮してアノード表面を覆う可能性があるが、ガス拡散層に親水層を設けることで、凝縮水を速やかに排出し、電池性能の低下を防止することができる。特に、実施例のような固体高分子型燃料電池では、電解質層の湿潤状態を維持するために燃料ガスを積極的に加湿する場合があり、また、電解質層を介したカソード側からアノード側への水分の移動もあるため、アノード側ガス拡散層の表面に親水層を設けて排水性を向上させることによる効果が得られる。
12…MEA
13…電解質層
14…アノード
15…カソード
16,17…ガス拡散層
19…親水層
20,21…セパレータ
22…単セル内燃料ガス流路
23…単セル内酸化ガス流路
30…撥水層
32…親水層
34…撥水層
40,140,240…構造体
42…触媒層
43,243…絶縁層
44…外部電源
113,213…電解質層
114…触媒層
116…ガス拡散層
117…カーボン多孔質体
118…撥水層
120…セパレータ
121…セパレータ
122…流路
123…流路
Claims (12)
- 燃料電池用電解質層上に形成された燃料電池用電極に隣接して設けられる燃料電池用ガス拡散層の製造方法であって、
(a)前記燃料電池用ガス拡散層の基材となる、一方の表面に炭素分子を備える導電性多孔質体を用意する工程と、
(b)プロトン伝導性を有する酸化用電解質層を用意し、
該酸化用電解質層の一方の表面に、プロトンと電子とから水素を生じる反応を促進する触媒を含む酸化用電極層を形成し、
前記酸化用電解質層の他方の表面に前記炭素分子が接するように、前記酸化用電解質層と前記導電性多孔質体とを積層し、
前記導電性多孔質体を所定の外部電源の正極に接続すると共に、前記酸化用電極層を前記外部電源の負極に接続する工程と、
(c)前記導電性多孔質体に対して水蒸気を供給し、かつ、前記外部電源により、前記酸化用電極層と前記導電性多孔質体との間に電圧を印可する工程と、
を備え、
前記(c)工程においては、前記炭素分子が前記水蒸気により酸化されることで親水基が生じ、前記酸化に伴って生じるプロトンおよび電子が、それぞれ前記酸化用電解質層あるいは前記外部電源を経由して前記酸化用電極層に移動し、前記触媒によって水素を生じる電気化学的酸化反応が進行する電圧が印可される
燃料電池用ガス拡散層の製造方法。 - 請求項1記載の燃料電池用ガス拡散層の製造方法であって、
前記(c)工程は、
(c−1)前記導電性多孔質体に対して前記水蒸気を含有する不活性ガスを供給しつつ、前記酸化用電極層に対して、前記酸化用電極層の電位を所定の値に設定するための所定のガスを供給する工程と、
(c−2)前記所定のガスを供給したときの前記酸化用電極層における電極電位と、前記水蒸気を含有する不活性ガスを供給したときの前記導電性多孔質体における電位との差が、前記電気化学的酸化反応が進行可能となる値となるように、前記酸化用電極層と前記導電性多孔質体との間に電圧を印加する工程と
を備える燃料電池用ガス拡散層の製造方法。 - 請求項2記載の燃料電池用ガス拡散層の製造方法であって、
前記酸化用電極層に供給する所定のガスは水素である
燃料電池用ガス拡散層の製造方法。 - 請求項1ないし3いずれか記載の燃料電池用ガス拡散層の製造方法であって、
前記(b)工程は、前記導電性多孔質体の前記一方の表面における所定の領域に親水基を導入するために、前記酸化用電解質層と前記導電性多孔質体とを積層する際に、前記酸化用電解質層と前記導電性多孔質体との間において、前記所定の領域以外の領域に、プロトン伝導性を有しない材料から成る非プロトン伝導性層を設ける工程を備える
燃料電池用ガス拡散層の製造方法。 - 請求項1ないし3いずれか記載の燃料電池用ガス拡散層の製造方法であって、
前記(b)工程は、前記導電性多孔質体の前記一方の表面における所定の領域に親水基を導入するために、前記酸化用電解質層と前記導電性多孔質体との積層の動作として、前記所定の領域に前記酸化用電解質層が形成されると共に、前記所定の領域以外の領域にはプロトン伝導性を有しない材料から成る非プロトン伝導性層が形成された層と、前記導電性多孔質体と、の積層を行なう
燃料電池用ガス拡散層の製造方法。 - 請求項4または5記載の燃料電池用ガス拡散層の製造方法であって、
前記非プロトン伝導性層は、さらに、非電子伝導性を示す
燃料電池用ガス拡散層の製造方法。 - 請求項4ないし6いずれか記載の燃料電池用ガス拡散層の製造方法であって、
前記(a)工程は、前記導電性多孔質体における前記一方の表面を、予め撥水処理する工程を含む
燃料電池用ガス拡散層の製造方法。 - 請求項1ないし7いずれか記載の燃料電池用ガス拡散層の製造方法であって、
該燃料電池用ガス拡散層は、電気化学反応に伴って生成水が生じる電極側において、前記ガス拡散層における前記親水基を導入した表面を前記電極に接するように配設して用いるためのガス拡散層である
燃料電池用ガス拡散層の製造方法。 - 請求項1ないし8いずれか記載の燃料電池用ガス拡散層の製造方法であって、
前記酸化用電解質層は、前記燃料電池用電解質層と共通する構造を有し、前記酸化用電極は、前記燃料電池用電極と共通する構造を有している
燃料電池用ガス拡散層の製造方法。 - 燃料電池の製造方法であって、
(A)プロトン伝導性を有する燃料電池用電解質層の両面に、触媒を備える燃料電池用電極を形成する工程と、
(B)前記燃料電池用電極を形成した前記燃料電池用電解質層を挟持するように、電気化学反応に供するガスが流通するガス拡散層として、導電性多孔質体を配設する工程と
を備え、
前記(B)工程は、請求項1ないし9いずれか記載の燃料電池用ガス拡散層の製造方法によってガス拡散層を製造する工程と、該製造したガス拡散層を前記酸化用電解質層から分離する工程と、該分離したガス拡散層を、前記燃料電池用電解質層を挟持する前記導電性多孔質体の少なくとも一方として、前記親水基が導入された表面が前記燃料電池用電極に接するように配設する工程と、を備える
燃料電池の製造方法。 - 燃料電池の製造方法であって、
(A)プロトン伝導性を有する燃料電池用電解質層の両面に、触媒を備える燃料電池用電極を形成する工程と、
(B)前記燃料電池用電極を形成した前記燃料電池用電解質層を挟持するように、電気化学反応に供するガスが流通するガス拡散層として、導電性多孔質体を配設する工程と、
(C)前記導電性多孔質体のさらに外側に、表面に所定の凹凸形状を有して、該凹凸形状の凸部の端部において前記導電性多孔質体と当接すると共に、前記凸部間に形成される凹部によって前記導電性多孔質体との間に前記ガスの流路を形成するガスセパレータを配設する工程と
を備え、
前記(B)工程は、請求項4ないし7いずれか記載の燃料電池用ガス拡散層の製造方法によってガス拡散層を製造する工程と、該製造したガス拡散層を前記酸化用電解質層から分離する工程と、該分離したガス拡散層を、前記燃料電池用電解質層を挟持する前記導電性多孔質体の少なくとも一方として、前記親水基が導入された表面が前記電極に接するように配設する工程と、を備え、
前記(C)工程は、前記燃料電池用ガス拡散層において親水基を導入した前記所定の領域と、前記凹部とが対応するように、前記ガスセパレータを位置合わせしつつ配設する工程である
燃料電池の製造方法。 - 請求項11記載の燃料電池の製造方法であって、
前記(B)工程は、少なくとも、電気化学反応に伴って生成水が生じる電極側において、請求項4ないし7いずれか記載の燃料電池用ガス拡散層の製造方法によって製造した前記燃料電池用ガス拡散層を用いる
燃料電池の製造方法。
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