JP5486549B2 - 膜電極接合体の製造方法及び燃料電池の製造方法 - Google Patents
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Description
すなわち、燃料電池において、発電に伴い生成される生成水は、カソード電極で主に発生する。このため、アノード電極よりもカソード電極の方が比較的湿潤しやすい。一方、アノード電極には水素を含む燃料ガスが供給され、カソード電極には酸素を含む酸化剤ガスが供給されるが、酸素は水素に比べてガス拡散性が低いという性質がある。
本発明の第1態様によれば、高分子電解質膜と、
前記高分子電解質膜を挟んで互いに対向する一対の触媒層と、
前記高分子電解質膜及び前記一対の触媒層を挟んで互いに対向するアノードガス拡散層及びカソードガス拡散層と、を有する膜電極接合体の製造方法であって、
前記アノードガス拡散層は、導電性粒子と高分子樹脂とを主成分とした多孔質部材で形成し、
前記アノードガス拡散層の多孔度は、60%以下とし、
前記カソードガス拡散層の多孔度は、60%より大きくする、
膜電極接合体の製造方法を提供する。
前記膜電極接合体を挟むように一対のセパレータを配置する、
ことを含む、燃料電池の製造方法を提供する。
図1は、本発明の実施形態にかかる燃料電池の基本構成を示す断面図である。本実施形態にかかる燃料電池は、水素を含有する燃料ガスと、空気などの酸素を含有する酸化剤ガスとを電気化学的に反応させることにより、電力と熱とを同時に発生させる高分子電解質型燃料電池である。なお、本発明は、高分子電解質形燃料電池に限定されるものではなく、種々の燃料電池に適用可能である。
なお、前記導電性粒子を平均粒子径が異なる2種類のカーボン材料を混合して構成する場合、平均粒子径が小さいカーボン材料と平均粒子径が大きいカーボン材料との配合比率は1:0.7〜1:2であることが好ましい。この理由については、実験データを参照しながら後で詳しく説明する。
次いで、ステップS3では、シート状にした混錬物を焼成し、当該混錬物から界面活性剤と水とを除去する(焼成工程)。
次いで、ステップS4では、プレス機の圧延力とギャップを調整して前記混錬物を再圧延し、当該混錬物の多孔度と厚さを調整する(再圧延工程)。
ステップS12では、混錬して得た混錬物をロールプレス機又は平板プレス機などで圧延してシート状に成形する。
ステップS13では、シート状に成形した混錬物を焼成して、前記混錬物中から界面活性剤と分散溶媒とを除去する。
ステップS14では、界面活性剤と分散溶媒とを除去した混錬物を再圧延して厚さを調整する。
これにより、前記のような炭素繊維が添加されたガス拡散層を製造することができる。
次に、表1を用いて、平均粒子径が異なる2種類のカーボン材料(導電性粒子)を用いてガス拡散層を構成した場合における、平均粒子径の大きな導電性粒子と平均粒子径の小さな導電性粒子との好ましい配合比率について説明する。なお、ここでは、アノードガス拡散層とカソードガス拡散層とを同じ構成(厚さ、多孔度等)としている。
まず、アセチレンブラック(電気化学工業株式会社製デンカブラック:登録商標)とグラファイト(和光純薬工業株式会社製)を合計150g、界面活性剤(トライトンX:登録商標)7.5g、水170gをミキサーに投入する。その後、ミキサーの回転数を100rpmとして60分間、前記各材料を混錬する。60分経過後、前記混錬して得た混錬物に高分子樹脂としてPTFEディスパージョン70g(旭硝子株式会社製AD911)を混合して、さらに5分間攪拌する。
次いで、製造したMEAを一対のセパレータ(東海カーボン製)で挟み込み、この状態で位置ずれしないように締結圧力が10kgf/cm2となるまで加圧する。
サンプル1〜7は、アセチレンブラックとグラファイトの配合比率を異ならせるだけで製造することができる。
まず、ガス拡散層を構成する各材料の真密度と組成比率から、製造したガス拡散層の見かけ真密度を算出する。
次いで、製造したガス拡散層の重量、厚さ、縦横寸法を測定して、製造したガス拡散層の密度を算出する。
次いで、多孔度=(ガス拡散層の密度)/(見かけ真密度)×100の式に、前記算出したガス拡散層の密度及び見かけ真密度を代入し、多孔度を算出する。
以上のようにして、製造したガス拡散層の多孔度を測定することができる。
次いで、アノード電極に燃料ガスとして純水素を流し、カソード電極に酸化剤ガスとして空気を流す。このとき、利用率は、それぞれ70%、40%とする。また、ガス加湿露点は、アノード電極65℃、カソード電極35℃に設定する。また、セル温度は、90℃に設定する。
次いで、電流密度0.2A/cm2時の電圧値と抵抗値とを測定する。なお、発電中の抵抗値の測定には、交流4端子法式抵抗計(鶴賀電機製MODEL3566)を使用する。
次に、表2を用いて、ガス拡散層の好ましい厚さについて説明する。なお、ここでは、アノードガス拡散層とカソードガス拡散層とを同じ構成(厚さ、多孔度等)としている。
サンプル8〜16は、圧延時に延伸ロール機のギャップを変更することで製造することができる。
まず、前記ミキサーで混練して得た混練物を、延伸ロール機に代えて押出成形機(2軸フルフライトスクリューの長さ50cm、Tダイの幅7cm、ギャップ600μm)を用い、厚さ600μm、幅7cmのシート状に成形する。この後、シート状にした前記混錬物を、プログラム制御式の焼成炉にて300℃で30分間焼成し、前記混錬物中の界面活性剤と水を除去する。
まず、サンプル2と同じ組成の材料を、ミキサーに代えて押出成形機(2軸フルフライトスクリューの長さ100cm、Tダイの幅7cm、ギャップ600μm)を用いて、混練し、押し出しし、且つシート状に成形する。この後、シート状にした混錬物を、プログラム制御式の焼成炉にて300℃で30分間焼成し、前記混錬物中の界面活性剤と水を除去する。
次に、表3を用いて、炭素繊維の好ましい配合比率について説明する。なお、ここでは、アノードガス拡散層とカソードガス拡散層とを同じ構成(厚さ、多孔度等)としている。
まず、平均粒子径が小さい導電性粒子の一例としてのアセチレンブラック(電気化学工業株式会社製デンカブラック:登録商標)と、平均粒子径が大きい導電性粒子の一例としてのグラファイト(和光純薬工業株式会社製)と、VGCF(昭和電工製、繊維径0.15μm、繊維長15μm)と、界面活性剤(トライトンX:登録商標)4gと、分散溶媒の一例としての水200gとをミキサーに投入する。このとき、アセチレンブラックとグラファイトとVGCFの合計量は133gとし、アセチレンブラックとグラファイトの配合比率は1:1.6となるようにする。
なお、例えば、サンプル18では、アセチレンブラック50g、グラファイト80g、VGCF3gとしている。この場合、VGCFの配合比率(重量換算)とPTFEの配合比率(重量換算)は、次のようにして求めることができる。
PTFEの配合比率:PTFE25g×60%÷(アセチレンブラック50g+グラファイト80g+VGCF3g+PTFE25g×60%)×100=約10.0%
次いで、各サンプルにそれぞれ、圧縮試験機(島津製作所製、EZ−graph)を用いて圧力(面圧)が1.5kg/cm2になるように圧縮荷重をかける。
この状態で、交流4端子法式抵抗計(鶴賀電機製、MODEL3566)を用いて内部抵抗値を測定する。
次いで、前記擬似燃料電池セルに0.4Vの負荷をかけ、その時の電流値を測定する。
ここで、高分子電解質膜に損傷があった場合、マイクロショートにより300mA以上の高電流が測定されると考えられる。
このため、測定された電流値が300mA以上であった場合、損傷「有り」と判定し、測定された電流値が300mA未満であった場合、損傷「無し」と判定する。
表3を参照してサンプル17〜23の内部抵抗値を比較すると、VGCFの配合比率が低くなる程、内部抵抗値が増加することが分かる。また、VGCFの配合比率が2.0重量%であるサンプル18と、VGCFの配合比率が1.5重量%であるサンプル17とを比較すると、内部抵抗値が大幅に変化していることが分かる。すなわち、VGCFの配合比率が2.0重量%より低い場合には、内部抵抗値が急激に高くなることが分かる。このため、VGCFの配合比率は2.0重量%以上であることが好ましいと考えられる。
次に、表4を用いて、高分子樹脂の好ましい配合比率について説明する。なお、ここでは、アノードガス拡散層とカソードガス拡散層とを同じ構成(厚さ、多孔度等)としている。
表4を参照してサンプル24〜29の内部抵抗値を比較すると、PTFEの配合比率が高くなる程、内部抵抗値が増加することが分かる。また、PTFEの配合比率が17重量%であるサンプル27と、PTFEの配合比率が20重量%であるサンプル28とを比較すると、内部抵抗値が大幅に変化していることが分かる。すなわち、PTFEの配合比率が17重量%より高い場合には、内部抵抗値が急激に高くなることが分かる。
次に、表5を用いて、炭素繊維を添加したときのガス拡散層の好ましい厚さについて説明する。なお、ここでは、アノードガス拡散層とカソードガス拡散層とを同じ構成(厚さ、多孔度等)としている。
サンプル30〜35は、圧延時に延伸ロール機のギャップを変更することで製造することができる。
表5を参照してサンプル30〜35の内部抵抗値を比較すると、ガス拡散層の厚みが厚くなる程、内部抵抗値が増加することが分かる。また、厚さが600μmであるサンプル33と厚さが650μmであるサンプル34の内部抵抗値を比較すると、サンプル34の方が、内部抵抗値が大幅に高くなっていることが分かる。なお、厚さが150μm未満であるシート状のガス拡散層の製造を試みたが、強度が不足し、安定的に内部抵抗を測定することができなかった。また、仮に製造できたとしても、厚さが薄くなることでガス拡散層のガス透過性が向上するために、低加湿運転下での保水性(保湿性)が低下して高分子電解質膜が乾燥し、内部抵抗は増加すると推測される。
まず、前記ミキサーで混練して得た混練物を、延伸ロール機に代えて押出成形機(2軸フルフライトスクリューの長さ50cm、Tダイの幅7cm、ギャップ600μm)を用い、厚さ600μm、幅7cmのシート状に成形する。この後、シート状にした前記混錬物を、プログラム制御式の焼成炉にて300℃で30分間焼成し、前記混錬物中の界面活性剤と水を除去する。
まず、サンプル18と同じ組成の材料を、ミキサーに代えて押出成形機(2軸フルフライトスクリューの長さ100cm、Tダイの幅7cm、ギャップ600μm)を用いて、混練し、押し出しし、且つシート状に成形する。この後、シート状にした混錬物を、プログラム制御式の焼成炉にて300℃で30分間焼成し、前記混錬物中の界面活性剤と水を除去する。
まず、表6を用いて、アノードガス拡散層14A及びカソードガス拡散層14Cの多孔度の違いによる発電性能の検証結果について説明する。
これにより、厚さ400μm、多孔度55%のガス拡散層を得ることができる。
なお、製造したガス拡散層の炭素繊維(VGCF)の配合比率を計算により求めたところ、シート全体の3.9%(重量換算)であった。また、製造したガス拡散層のPTFEの配合比率を計算により求めたところ、12%(重量換算)であった。
これにより、厚さ400μm、多孔度70%のガス拡散層を得ることができる。
なお、製造したガス拡散層の炭素繊維(VGCF)の配合比率を計算により求めたところ、シート全体の4.0%(重量換算)であった。また、製造したガス拡散層のPTFEの配合比率を計算により求めたところ、17%(重量換算)であった。
次いで、製造したMEAを一対のカーボンセパレータ(東海カーボン社製)で挟み込み、この状態で位置ずれしないように締結圧力が10kgf/cm2となるまで加圧する。
以上のようにして、サンプル36〜39の燃料電池を製造する。
次いで、電流密度0.2A/cm2時の電圧値を測定する。
表6から分かるように、本実施形態にかかる燃料電池の構成を有するサンプル36が最も高い電圧値を得ることができた。すなわち、本実施形態にかかる燃料電池によれば、従来に比べて発電性能を一層向上させることができることが確認された。
まず、前述した厚さ400μm、多孔度55%のガス拡散層と同様にして、アセチレンブラックと、人造黒鉛粉末と、VGCFと、界面活性剤と、水と、高分子樹脂との混錬物をプラネタリミキサーにて作成する。
次いで、前記混錬物をプラネタリミキサーの中から10g取り出し、延伸ロール機(圧力200kg/cm2、ギャップ350μmに設定)にて圧延してシート状にする。
次いで、シート状にした前記混錬物をプログラム制御式の焼成炉にて、300℃で20分間焼成し、前記混錬物中の界面活性剤と水を除去する。
次いで、界面活性剤と水を除去した前記混錬物を焼成炉から取り出し、再び延伸ロール機(圧力500kg/cm2、ギャップ180μm)にて圧延して、厚さ調整及び厚さバラツキの低減を行ったのち、6cm角に裁断する。
これにより、厚さ200μm、多孔度55%のガス拡散層を得ることができる。
まず、前述した厚さ400μm、多孔度55%のガス拡散層と同様にして、アセチレンブラックと、人造黒鉛粉末と、VGCFと、界面活性剤と、水と、高分子樹脂との混錬物をプラネタリミキサーにて作成する。
次いで、前記混錬物をプラネタリミキサーの中から20g取り出し、延伸ロール機(圧力200kg/cm2、ギャップ850μmに設定)にて圧延してシート状にする。この後、シート状にした前記混錬物をプログラム制御式の焼成炉にて、300℃で20分間焼成し、前記混錬物中の界面活性剤と水を除去する。
次いで、界面活性剤と水を除去した前記混錬物を焼成炉から取り出し、再び延伸ロール機(圧力500kg/cm2、ギャップ580μm)にて圧延して、厚さ調整及び厚さバラツキの低減を行ったのち、6cm角に裁断する。
これにより、厚さ600μm、多孔度55%のガス拡散層を得ることができる。
まず、前述した厚さ400μm、多孔度70%のガス拡散層と同様にして、アセチレンブラックと、VGCFと、界面活性剤と、水と、高分子樹脂との混錬物をミキサーにて作成する。
次いで、前記混錬物をプラネタリミキサーの中から10g取り出し、延伸ロール機(圧力10kg/cm2、ギャップ300μmに設定)にて圧延してシート状にする。
次いで、シート状にした前記混錬物をプログラム制御式の焼成炉にて、300℃で20分間焼成し、前記混錬物中の界面活性剤と水を除去する。
次いで、界面活性剤と水を除去した前記混錬物を焼成炉から取り出し、再び延伸ロール機(圧力20kg/cm2、ギャップ200μm)にて圧延して、厚さ調整及び厚さバラツキの低減を行ったのち、6cm角に裁断する。
これにより、厚さ200μm、多孔度70%のガス拡散層を得ることができる。
まず、アセチレンブラック100g、人造黒鉛粉末15gと、VGCF2gと、チョップファイバー5g(クレハ製M201F:繊維径12.5μm、繊維長150μm)と、界面活性剤(トライトンX:登録商標)20gと、水400gとをミキサーに投入する。
次いで、ミキサーの回転数を100rpmとして60分間、前記各材料を混錬する。60分経過後、前記混錬して得た混錬物に高分子樹脂としてPTFEディスパージョン36gを混合して、さらに、ミキサーの回転数を100rpmとして5分間攪拌する。なお、使用したカーボン粉末は2種類である。
このようにして得られた混練物をミキサーの中から10g取り出し、延伸ロール機(圧力10kg/cm2、ギャップ300μmに設定)にて圧延して、シート状にする。この後、シート状にした前記混錬物をプログラム制御式の焼成炉にて、300℃で20分間焼成し、前記混錬物中の界面活性剤と水を除去する。
これにより、厚さ200μm、多孔度70%のガス拡散層を得ることができる。
表7から分かるように、サンプル40においては、サンプル36よりやや高い電圧値を得ることができた。すなわち、400μmの厚さのアノードガス拡散層14Aよりもカソードガス拡散層14Cの厚さを薄くすることで、従来に比べて発電性能を一層向上させることができることが確認された。これは、カソードガス拡散層14Cを薄くすることによって、発電性能が低下すると通常考えられるが、それ以上にカソードガス拡散層14Cのガス拡散性が向上するためと考えられる。
10 膜電極接合体
11 高分子電解質膜
12A アノード電極
12C カソード電極
13A アノード触媒層
13C カソード触媒層
14A アノードガス拡散層
14C カソードガス拡散層
15A アノードガスケット
15C カソードガスケット
20A アノードセパレータ
20C カソードセパレータ
21A 燃料ガス流路溝
21C 酸化剤ガス流路溝
Claims (16)
- 高分子電解質膜と、
前記高分子電解質膜を挟んで互いに対向する一対の触媒層と、
前記高分子電解質膜及び前記一対の触媒層を挟んで互いに対向するアノードガス拡散層及びカソードガス拡散層と、を有する膜電極接合体の製造方法であって、
前記アノードガス拡散層は、導電性粒子と高分子樹脂とを主成分とした多孔質部材で形成し、
前記アノードガス拡散層の多孔度は、60%以下とし、
前記カソードガス拡散層の多孔度は、60%より大きくする、
膜電極接合体の製造方法。 - 前記アノードガス拡散層の多孔度は、42%以上とする、請求項1に記載の膜電極接合体の製造方法。
- 前記カソードガス拡散層の厚さは、前記アノードガス拡散層の厚さより薄くする、請求項1又は2に記載の膜電極接合体の製造方法。
- 前記アノードガス拡散層及び前記カソードガス拡散層の厚さは、150μm以上600μm以下とする、請求項3に記載の膜電極接合体の製造方法。
- 前記アノードガス拡散層及び前記カソードガス拡散層の厚さは、200μm以上400μm以下とする、請求項4に記載の膜電極接合体の製造方法。
- 前記カソードガス拡散層は、導電性粒子と高分子樹脂とを主成分とした多孔質部材で形成する、請求項1〜5のいずれか1つに記載の膜電極接合体の製造方法。
- 前記カソードガス拡散層の多孔度は、76%以下とする、請求項6に記載の膜電極接合体の製造方法。
- 前記アノードガス拡散層及び前記カソードガス拡散層に含まれる前記導電性粒子は、平均粒子径が異なる2種類のカーボン材料で形成する、請求項6又は7に記載の膜電極接合体の製造方法。
- 前記アノードガス拡散層に含まれる平均粒子径が異なる2種類のカーボン材料は、平均粒子径が小さいカーボン材料と、平均粒径が大きいカーボン材料との配合比率を、1:0.7〜1:2とする、請求項8に記載の膜電極接合体の製造方法。
- 前記カソードガス拡散層に含まれる高分子樹脂の単位体積当たりの重量は、前記アノードガス拡散層に含まれる高分子樹脂の単位体積当たりの重量より大きくする、請求項6〜9のいずれか1つに記載の膜電極接合体の製造方法。
- 前記アノードガス拡散層及び前記カソードガス拡散層は、前記高分子樹脂を10重量%以上17重量%以下含むように形成する、請求項10に記載の膜電極接合体の製造方法。
- 前記アノードガス拡散層及び前記カソードガス拡散層は、前記高分子樹脂よりも少ない重量の炭素繊維を含むように形成する、請求項6〜11のいずれか1つに記載の膜電極接合体の製造方法。
- 前記カソードガス拡散層に含まれる炭素繊維の単位体積当たりの重量は、前記アノードガス拡散層に含まれる炭素繊維の単位体積当たりの重量より大きくする、請求項12に記載の膜電極接合体の製造方法。
- 前記アノードガス拡散層及び前記カソードガス拡散層は、前記炭素繊維を2.0重量%以上7.5重量%以下含むように形成する、請求項13に記載の膜電極接合体の製造方法。
- 前記炭素繊維は、気相成長法炭素繊維、ミルドファイバー、チョップファイバーのうちのいずれか1つとする、請求項12〜14のいずれか1つに記載の膜電極接合体の製造方法。
- 請求項1〜15のいずれか1つに記載の製造方法により膜電極接合体を製造し、
前記膜電極接合体を挟むように一対のセパレータを配置する、
ことを含む、燃料電池の製造方法。
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