JP2006004808A - Pressurization method of fuel cell material - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は膜電極接合体やガス拡散層等の燃料電池素材を製造する加圧方法に関する。 The present invention relates to a pressurizing method for producing a fuel cell material such as a membrane electrode assembly and a gas diffusion layer.
膜電極接合体(以下、MEA(membrane electrode assembly)ともいう)は、酸化剤含有ガスとしての空気が導入される空気極(酸化剤極)と、燃料が導入される燃料極とで電解膜を挟持したものである。空気極は、空気が拡散されるガス拡散層を備える。燃料極は、燃料が拡散されるガス拡散層を備える。 A membrane electrode assembly (hereinafter also referred to as MEA (membrane electrode assembly)) is an electrolyte membrane comprising an air electrode (oxidant electrode) into which air as an oxidant-containing gas is introduced and a fuel electrode into which fuel is introduced. It is something that is pinched. The air electrode includes a gas diffusion layer in which air is diffused. The fuel electrode includes a gas diffusion layer in which fuel is diffused.
燃料電池においては、発電時に電解質膜を透過してきたプロトンは、電解質膜と空気極との界面に存在する触媒層で酸素との反応が進む。空気極側では発電反応に起因して水が生成される。特に、燃料電池の高電流密度領域では、空気極側において水が増加するため、フラッディング現象が生じることがある。フラッディング現象は水がガス流路を塞ぐことをいう。この現象が生じると、空気極内を拡散してきた酸素ガスと触媒との反応性が低下し、燃料電池の出力密度が低下し、電池性能が不安定化される要因となる。このフラッディング現象を抑制するために、従来、電解質膜と接触する触媒層側からガス拡散層側に向かって、撥水剤濃度を減少させる方法(特許文献1)、空気極の触媒層の撥水性を低くして水の排出を容易にする方法(特許文献2)が開発されている。
ところで、燃料電池によれば、前述したように、MEAの空気出口側においては水の量が増加するため、フラッディング現象が生じやすい。即ち、MEAの空気出口側において、触媒が水没したり、ガス拡散層の空気流路、触媒層の空気流路が水により閉塞される傾向がある。このため燃料電池の発電性能の向上には限界がある。 By the way, according to the fuel cell, as described above, since the amount of water increases on the air outlet side of the MEA, a flooding phenomenon is likely to occur. That is, on the air outlet side of the MEA, the catalyst tends to be submerged, and the air flow path of the gas diffusion layer and the air flow path of the catalyst layer tend to be blocked by water. For this reason, there is a limit in improving the power generation performance of the fuel cell.
本発明は上記した実情に鑑みてなされたものであり、膜電極接合体(MEA)またはガス拡散層の酸化剤ガス出口側の気孔率を、酸化剤ガス入口側よりも相対的に高めに設定することができ、これにより酸化剤ガス出口側の水の排出性を確保することができ、燃料電池の発電性能を向上させるのに有利な燃料電池素材の加圧方法を提供することを課題とする。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and the porosity of the membrane electrode assembly (MEA) or gas diffusion layer on the oxidant gas outlet side is set to be relatively higher than that on the oxidant gas inlet side. It is therefore possible to provide a method for pressurizing a fuel cell material, which can ensure the discharge of water on the oxidant gas outlet side and thereby improve the power generation performance of the fuel cell. To do.
(1)第1発明に係る燃料電池素材の加圧方法は、膜電極接合体またはガス拡散層と、これらを厚み方向に加圧可能な第1加圧体及び第2加圧体とを用意する工程と、膜電極接合体またはガス拡散層を第1加圧体及び第2加圧体で挟んで厚み方向に加圧する加圧工程とを実施する燃料電池素材の加圧方法において、加圧工程では、膜電極接合体またはガス拡散層の酸化剤ガス出口側の加圧量を、膜電極接合体またはガス拡散層の酸化剤ガス入口側の加圧量よりも少なく設定することを特徴とするものである。燃料電池素材としては膜電極接合体またはガス拡散層が挙げられる。 (1) A method for pressurizing a fuel cell material according to the first invention includes a membrane electrode assembly or a gas diffusion layer, and a first pressurizer and a second pressurizer that can pressurize them in the thickness direction. In the method of pressurizing the fuel cell material, the step of pressing the membrane electrode assembly or the gas diffusion layer between the first pressurizing body and the second pressurizing body and pressurizing in the thickness direction. The step is characterized in that the pressurization amount on the oxidant gas outlet side of the membrane electrode assembly or gas diffusion layer is set to be smaller than the pressurization amount on the oxidant gas inlet side of the membrane electrode assembly or gas diffusion layer. To do. Examples of the fuel cell material include a membrane electrode assembly or a gas diffusion layer.
第1発明に係る燃料電池素材の加圧方法によれば、膜電極接合体またはガス拡散層の酸化剤ガス出口側の加圧量は、膜電極接合体またはガス拡散層の酸化剤ガス入口側の加圧量よりも少なく設定される。これにより膜電極接合体またはガス拡散層の酸化剤ガス出口側の気孔率が、酸化剤ガス入口側よりも相対的に高めに設定される。このため膜電極接合体またはガス拡散層における酸化剤ガス出口側の水排出性が確保される。 According to the method for pressurizing the fuel cell material according to the first invention, the amount of pressurization on the oxidant gas outlet side of the membrane electrode assembly or gas diffusion layer is the oxidant gas inlet side of the membrane electrode assembly or gas diffusion layer. Is set to be smaller than the amount of pressurization. Thereby, the porosity of the membrane electrode assembly or the gas diffusion layer on the oxidant gas outlet side is set relatively higher than that on the oxidant gas inlet side. For this reason, the water discharging property on the oxidant gas outlet side in the membrane electrode assembly or the gas diffusion layer is ensured.
(2)第2発明に係る燃料電池素材の加圧方法は、膜電極接合体またはガス拡散層と、これらを厚み方向に加圧可能な第1加圧体及び第2加圧体とを用意する工程と、膜電極接合体またはガス拡散層を第1加圧体及び第2加圧体で挟んで厚み方向に加圧する加圧工程とを実施する燃料電池素材の加圧方法において、加圧に先立ち、スペーサをこれが第1加圧体と第2加圧体との間に位置するように膜電極接合体またはガス拡散層の酸化剤ガス出口側に配置し、加圧工程では、スペーサにより、膜電極接合体またはガス拡散層の酸化剤ガス出口側の加圧量を、膜電極接合体またはガス拡散層の酸化剤ガス入口側の加圧量よりも少なく設定することを特徴とするものである。 (2) A method for pressurizing a fuel cell material according to the second invention includes a membrane electrode assembly or a gas diffusion layer, and a first pressurizer and a second pressurizer that can pressurize these in the thickness direction. In the method of pressurizing the fuel cell material, the step of pressing the membrane electrode assembly or the gas diffusion layer between the first pressurizing body and the second pressurizing body and pressurizing in the thickness direction. Prior to the step, the spacer is disposed on the oxidant gas outlet side of the membrane electrode assembly or the gas diffusion layer so that the spacer is located between the first pressurizing body and the second pressurizing body. The pressure amount on the oxidant gas outlet side of the membrane electrode assembly or gas diffusion layer is set to be smaller than the pressure amount on the oxidant gas inlet side of the membrane electrode assembly or gas diffusion layer It is.
第2発明に係る燃料電池素材の加圧方法によれば、加圧に先立ち、スペーサをこれが第1加圧体と第2加圧体との間に位置するように膜電極接合体またはガス拡散層の酸化剤ガス出口側に配置する。そして加圧工程では、スペーサにより、膜電極接合体またはガス拡散層の酸化剤ガス出口側の加圧量は、膜電極接合体またはガス拡散層の酸化剤ガス入口側の加圧量よりも少なく設定される。これにより膜電極接合体またはガス拡散層の酸化剤ガス出口側の気孔率が、酸化剤ガス入口側よりも相対的に高めに設定される。このため膜電極接合体またはガス拡散層における酸化剤ガス出口側の水排出性が確保される。 According to the method for pressurizing the fuel cell material according to the second invention, prior to pressurization, the spacer is positioned between the first pressurizer and the second pressurizer so that the membrane electrode assembly or gas diffusion is performed. Arranged on the oxidant gas outlet side of the layer. In the pressurizing step, the amount of pressurization on the oxidant gas outlet side of the membrane electrode assembly or gas diffusion layer is less than the pressurization amount on the oxidant gas inlet side of the membrane electrode assembly or gas diffusion layer by the spacer. Is set. Thereby, the porosity of the membrane electrode assembly or the gas diffusion layer on the oxidant gas outlet side is set relatively higher than that on the oxidant gas inlet side. For this reason, the water discharging property on the oxidant gas outlet side in the membrane electrode assembly or the gas diffusion layer is secured.
スペーサの形状、構造、材質としては特に限定されるものではなく、膜電極接合体またはガス拡散層の酸化剤ガス出口側の加圧量を、膜電極接合体またはガス拡散層の酸化剤ガス入口側の加圧量よりも少なく設定できるものであれば、何でも良い。スペーサの材質は特に限定されないが、金属(例えばステンレス等の合金)、セラミックス(例えば窒化珪素、アルミナ、窒化アルミニウム、炭化珪素等)等のように硬い材質、耐食性が良い材質をもつものを例示できる。スペーサとしては、加圧方向と交差する方向(例えば、酸化剤ガス出口側と酸化剤ガス入口側とを仮想的に結ぶ方向)に位置調整可能とされていることが好ましい。この場合、酸化剤ガス出口側の加圧量を調整するのに有利である。 The shape, structure, and material of the spacer are not particularly limited, and the amount of pressurization on the oxidant gas outlet side of the membrane electrode assembly or gas diffusion layer is set to the oxidant gas inlet of the membrane electrode assembly or gas diffusion layer. Anything can be used as long as it can be set smaller than the pressurizing amount on the side. The material of the spacer is not particularly limited. Examples of the spacer material include hard materials such as metals (eg, alloys such as stainless steel) and ceramics (eg, silicon nitride, alumina, aluminum nitride, silicon carbide, etc.) and materials having good corrosion resistance. . It is preferable that the position of the spacer can be adjusted in a direction intersecting the pressurizing direction (for example, a direction virtually connecting the oxidant gas outlet side and the oxidant gas inlet side). In this case, it is advantageous to adjust the amount of pressurization on the oxidant gas outlet side.
(3)第3発明に係る燃料電池素材の加圧方法は、膜電極接合体またはガス拡散層と、これらを厚み方向に加圧可能な第1加圧体及び第2加圧体とを用意する工程と、膜電極接合体またはガス拡散層を第1加圧体及び第2加圧体で挟んで厚み方向に加圧する加圧工程とを実施する燃料電池素材の加圧方法において、第1加圧体の第1加圧面及び第2加圧体の第2加圧面のうちの少なくとも一方は、膜電極接合体またはガス拡散層の酸化剤ガス出口側の加圧量を、膜電極接合体またはガス拡散層の酸化剤ガス入口側の加圧量よりも少なく設定する表面を有するように設定されていることを特徴とするものである。 (3) A method for pressurizing a fuel cell material according to a third invention includes a membrane electrode assembly or a gas diffusion layer, and a first pressurizer and a second pressurizer that can pressurize these in the thickness direction. In the method for pressurizing a fuel cell material, the first step is a step of pressing the membrane electrode assembly or the gas diffusion layer between the first pressurizer and the second pressurizer in the thickness direction. At least one of the first pressurization surface of the pressurization body and the second pressurization surface of the second pressurization body is configured so that the amount of pressurization on the oxidant gas outlet side of the membrane electrode assembly or gas diffusion layer is determined. Alternatively, the gas diffusion layer is set to have a surface that is set to be smaller than the pressurization amount on the oxidant gas inlet side of the gas diffusion layer.
第3発明に係る燃料電池素材の加圧方法によれば、膜電極接合体またはガス拡散層の酸化剤ガス出口側の加圧量を、膜電極接合体またはガス拡散層の酸化剤ガス入口側の加圧量よりも少なく設定する表面を有するように、第1加圧体の第1加圧面及び第2加圧体の第2加圧面のうちの少なくとも一方は設定されている。これにより膜電極接合体またはガス拡散層の酸化剤ガス出口側の気孔率が、酸化剤ガス入口側よりも相対的に高めに設定される。このため膜電極接合体またはガス拡散層における酸化剤ガス出口側の水排出性が確保される。 According to the method for pressurizing the fuel cell material according to the third invention, the amount of pressurization on the oxidant gas outlet side of the membrane electrode assembly or gas diffusion layer is set to the oxidant gas inlet side of the membrane electrode assembly or gas diffusion layer. At least one of the first pressurizing surface of the first pressurizing body and the second pressurizing surface of the second pressurizing body is set so as to have a surface that is set smaller than the pressurizing amount. Thereby, the porosity of the membrane electrode assembly or the gas diffusion layer on the oxidant gas outlet side is set relatively higher than that on the oxidant gas inlet side. For this reason, the water discharging property on the oxidant gas outlet side in the membrane electrode assembly or the gas diffusion layer is secured.
本発明によれば、膜電極接合体またはガス拡散層の酸化剤ガス出口側の気孔率を、酸化剤ガス入口側よりも相対的に高めに維持することができる。これにより膜電極接合体またはガス拡散層の酸化剤ガス出口側において、水の排出性を確保することができ、フラッディング現象を抑制することができる。よって燃料電池の発電性能の向上に有利となる。 According to the present invention, the porosity of the membrane electrode assembly or gas diffusion layer on the oxidant gas outlet side can be maintained relatively higher than that on the oxidant gas inlet side. As a result, water discharge performance can be ensured on the oxidant gas outlet side of the membrane electrode assembly or gas diffusion layer, and the flooding phenomenon can be suppressed. Therefore, it is advantageous for improving the power generation performance of the fuel cell.
各本発明によれば、好ましくは、第1加圧体及び第2加圧体は、上下方向に開閉可能な構造、または、回転ロール構造とされている。以下、本発明の実施形態について図面を参照しつつ具体的に説明する。 According to each of the present invention, preferably, the first pressurizing body and the second pressurizing body have a structure that can be opened and closed in the vertical direction or a rotating roll structure. Hereinafter, embodiments of the present invention will be specifically described with reference to the drawings.
(実施形態1)
図1は実施形態1の概念を示す。図1に示すように、実質的に均等厚みをもつ膜電極接合体100またはガス拡散層200と、これらを厚み方向に加圧可能な第1加圧面310Aを有する第1加圧体300Aと、第2加圧面410Aを有する第2加圧体400Aとを用意する。第1加圧体300Aは昇降可能である。第2加圧体400Aは固定されている。そして、膜電極接合体100またはガス拡散層200を第1加圧体300Aの第1加圧面310A及び第2加圧体400Aの第2加圧面410Aで挟んで厚み方向(矢印T方向)に加圧する加圧工程を実施する。加圧に先立ち、加圧量を規制する加圧量規制手段として機能するスペーサ60Aを、第1加圧体300Aと第2加圧体400Aとの間に位置させる。スペーサ60Aは、膜電極接合体100またはガス拡散層200の空気入口側(酸化剤ガス入口側)ではなく、空気出口側(酸化剤ガス出口側)に配置される。スペーサ60Aの上面60uは、膜電極接合体100またはガス拡散層200の上面よりも上方に突出している。
(Embodiment 1)
FIG. 1 shows the concept of the first embodiment. As shown in FIG. 1, a
そして加圧工程では、スペーサ60Aによる加圧量規制効果に基づき、膜電極接合体100またはガス拡散層200の空気出口側の厚み方向の加圧量(圧縮量)Poutは、膜電極接合体100またはガス拡散層200の空気入口側の厚み方向の加圧量(圧縮量)Pinよりも少なく設定される。
In the pressurizing step, the pressurizing amount (compression amount) Pout in the thickness direction on the air outlet side of the
これにより膜電極接合体100またはガス拡散層200の空気出口側の気孔率Voutが、空気入口側の気孔率Vinよりも相対的に高めに設定される。このため膜電極接合体100またはガス拡散層200における空気出口側の水排出性が確保される。よって空気出口側のフラッディング現象が抑制される。スペーサ60Aは、加圧方向と交差する方向(矢印X1,X2方向)に位置調整可能とされていることが好ましい。これにより空気出口側の加圧量を調整できる。矢印X1方向は膜電極接合体100またはガス拡散層200の中央に近づく方向を示す。矢印X2方向は膜電極接合体100またはガス拡散層200の中央から離間する方向を示す。スペーサ60Aの材質は特に限定されないが、金属、セラミックス等のように硬い材質をもつものを例示できる。膜電極接合体100またはガス拡散層200について、(空気出口部の気孔率/空気入口部の気孔率)の比率をβとすると、βとしては、1.02〜2、あるいは1.02〜1.4、あるいは1.02〜1.2とすることができる。
Thereby, the porosity Vout on the air outlet side of the
(実施形態2)
図2は実施形態2の概念を示す。図2に示すように、実質的に均等厚みをもつ膜電極接合体100またはガス拡散層200と、これらを厚み方向に加圧可能な第1加圧面310Bを有する第1加圧体300Bと、第2加圧面410Bを有する第2加圧体400Bとを用意する。第1加圧体300B及び第2加圧体400Bはロール状とされており、回転ロール方式とされている。一般的には、第1加圧体300Bを矢印K1方向に回転させつつ第2加圧体400Bを矢印K2方向に回転させる。そして、膜電極接合体100またはガス拡散層200を、第1加圧体300Bの第1加圧面310B及び第2加圧体400Bの第2加圧面410Bとの間に挿入することにより、厚み方向(矢印T方向)にロール加圧する加圧工程を実施する。ロール加圧にあたり、スペーサ60Bをこれが第1加圧体300Bと第2加圧体400Bとの間に位置させる。スペーサ60Bは、膜電極接合体100またはガス拡散層200の空気出口側に配置される。
(Embodiment 2)
FIG. 2 shows the concept of the second embodiment. As shown in FIG. 2, the
そして加圧工程では、スペーサ60Bによる加圧量規制効果に基づいて、膜電極接合体100またはガス拡散層200の空気出口側の厚み方向の加圧量Poutは、膜電極接合体100またはガス拡散層200の空気入口側の厚み方向の加圧量Pinよりも少なく設定される。これにより膜電極接合体100またはガス拡散層200の空気出口側の気孔率Voutが、空気入口側の気孔率Vinよりも相対的に高めに設定される。このため膜電極接合体100またはガス拡散層200における空気出口側の水排出性が確保される。よって、空気出口側のフラッディング現象が抑制される。スペーサ60Bは、加圧方向と交差する方向(矢印Y1,Y2方向)に位置調整可能とされていることが好ましい。これにより空気出口側の加圧量を調整できる。矢印Y1方向は、第1加圧体300B及び第2加圧体400Bの軸長方向に沿って膜電極接合体100またはガス拡散層200の中央に近づく方向を示す。矢印Y2方向は、第1加圧体300B及び第2加圧体400Bの軸長方向に沿って膜電極接合体100またはガス拡散層200の中央から離間する方向を示す。スペーサ60Bの材質は特に限定されないが、金属、セラミックス等のように硬い材質をもつものを例示できる。
In the pressurizing step, the pressurization amount Pout in the thickness direction on the air outlet side of the
(実施形態3)
図3は実施形態3の概念を示す。図3に示すように、実質的に均等厚みをもつ膜電極接合体100またはガス拡散層200と、これらを厚み方向に加圧可能な第1加圧面310Cを有する第1加圧体300Cと、第2加圧面410Cを有する第2加圧体400Cとを用意する。第1加圧体300Cは昇降可能である。第2加圧体400Cは固定されている。そして、膜電極接合体100またはガス拡散層200を第1加圧体300C及び第2加圧体400Cで挟んで厚み方向(矢印T方向)に加圧する加圧工程を実施する。第1加圧体300Cの第1加圧面310Cは、仮想水平線P1に対して角度θ1傾斜されている。この結果、第1加圧面310Cについては、空気出口側を加圧する部分312Cは、空気入口側を加圧する部分313Cよりも、上方(矢印U方向)に退避している。第2加圧体400Cの第2加圧面410Cは、仮想水平線P1に沿っている。
(Embodiment 3)
FIG. 3 shows the concept of the third embodiment. As shown in FIG. 3, a
このように角度θ1傾斜しているため、膜電極接合体100またはガス拡散層200の空気出口側の厚み方向の加圧量Poutは、膜電極接合体100またはガス拡散層200の空気入口側の厚み方向の加圧量Pinよりも少なく設定される。即ち、前述したように、第1加圧体300Cの第1加圧面310Cは、膜電極接合体100またはガス拡散層200の空気出口側が上方(矢印U方向)に退避するような表面を有するように設定されている。これにより膜電極接合体100またはガス拡散層200の空気出口側の気孔率Voutが、空気入口側の気孔率Vinよりも相対的に高めに設定される。このため膜電極接合体100またはガス拡散層200における空気出口側の水排出性が確保され、空気出口側のフラッディング現象が抑制される。なお、図3では第1加圧体300Cの第1加圧面310Cは、仮想水平線P1に対して角度θ1傾斜されているが、これに限らず、空気出口側の加圧量(圧縮量)を小さくするように、第2加圧体400Cの第2加圧面410Cが仮想水平線P1に対して角度θ1傾斜されていても良い。
Since the angle θ1 is inclined as described above, the pressurization amount Pout in the thickness direction on the air outlet side of the
(実施形態4)
図4は実施形態4の概念を示す。図4に示すように、実質的に均等厚みをもつ膜電極接合体100またはガス拡散層200と、これらを厚み方向に加圧可能な第1加圧面310Dを有する第1加圧体300Dと、第2加圧面410Dを有する第2加圧体400Dとを用意する。第1加圧体300D及び第2加圧体400Dはロール状であり、回転ロール方式とされている。そして、膜電極接合体100またはガス拡散層200を、第1加圧体300D及び第2加圧体400Dで挟んで厚み方向(矢印T方向)に加圧する加圧工程を実施する。第1加圧体300Dの軸芯M1と、第2加圧体400Dの軸芯M2とは、相対的に角度θ2傾斜している。従って、第1加圧体300Dの第1加圧面310Dと第2加圧体400Dの第2加圧面410Dとの隙間をαとすると、隙間αは、膜電極接合体100またはガス拡散層200の空気出口側において、空気入口側よりも相対的に大きく設定されている。この結果、膜電極接合体100またはガス拡散層200の空気出口側の厚み方向の加圧量Poutは、膜電極接合体100またはガス拡散層200の空気入口側の厚み方向の加圧量Pinよりも少なく設定される。これにより膜電極接合体100またはガス拡散層200の空気出口側の気孔率Voutが、空気入口側の気孔率Vinよりも相対的に高めに設定される。このため膜電極接合体100またはガス拡散層200における空気出口側の水排出性が確保され、空気出口側のフラッディング現象が抑制される。
(Embodiment 4)
FIG. 4 shows the concept of the fourth embodiment. As shown in FIG. 4, the
(実施形態5)
図5は実施形態5の概念を示す。図5に示すように、実質的に均等厚みをもつ膜電極接合体100またはガス拡散層200と、これらを厚み方向に加圧可能な第1加圧面310Eを有する第1加圧体300Eと、第2加圧面410Eを有する第2加圧体400Eとを用意する。第1加圧体300Eは昇降可能である。第2加圧体400Eは固定されている。第1加圧体300Eの第1加圧面310Eについては、空気出口側に対面する面312Eは、空気入口側に対面する面313Eよりも上方(矢印U方向)にΔγ退避している。第2加圧体400Eの第2加圧面410Eは、仮想水平線P1に沿っている。
(Embodiment 5)
FIG. 5 shows the concept of the fifth embodiment. As shown in FIG. 5, a
そして、膜電極接合体100またはガス拡散層200を第1加圧体300E及び第2加圧体400Eで挟んで厚み方向(矢印T方向)に加圧する加圧工程を実施する。このようにΔγ退避しているため、膜電極接合体100またはガス拡散層200の空気出口側の厚み方向の加圧量Poutは、膜電極接合体100またはガス拡散層200の空気入口側の厚み方向の加圧量Pinよりも少なく設定される。これにより膜電極接合体100またはガス拡散層200の空気出口側の気孔率Voutが、空気入口側の気孔率Vinよりも相対的に高めに設定される。このため膜電極接合体100またはガス拡散層200における空気出口側の水排出性が確保される。よって空気出口側のフラッディング現象が抑制される。なお、図5では第1加圧体300Eの第1加圧面310Eのうち面312Eは、上方(矢印U方向)にΔγ退避しているが、これに限らず、空気出口側の加圧量を小さくさせるように、第2加圧体400Eの第2加圧面410Eが下方(矢印D方向)にΔγ退避していても良い。
And the pressurization process which pressurizes in the thickness direction (arrow T direction) on both sides of the
以下、本発明の実施例を具体的に説明する。本実施例は固定高分子型の燃料電池に適用している。
(1)ガス拡散層の形成
1000gの水に300gのカーボンブラック(導電性物質)を混入し、混入液を形成した。この混入液を攪拌機により10分間攪拌した。更に、撥水剤として機能できるPTFE(ダイキン工業株式会社製のテトラフルオロエチレン)を含有する濃度が60重量%のディパージョン原液(商品名:POLYFLON Dlグレード)250gを、混入液に添加した。これを更に10分間攪拌して、カーボンインクを形成した。そして、ガス拡散層の基材であるカーボンペーパー(東レ株式会社製、トレカTGP−060、厚さ180μm)を上記カーボンインクに投入した。これによりカーボンペーパーに充分に、PTFEを含むディスパージョン原液(撥水剤)を含浸させた。次に、80℃の温度に保った乾燥炉を用い、ディスパージョン原液(撥水剤)を含浸したカーボンペーパーの余分な水分を乾燥炉で蒸発させた。その後、焼結温度390℃で60分間保持して、PTFEを焼結し、撥水カーボンペーパーを2個作製し、図6(A)に示すように、燃料極用のガス拡散層10及び酸化剤極用のガス拡散層11とした。
Examples of the present invention will be specifically described below. This embodiment is applied to a fixed polymer type fuel cell.
(1) Formation of gas diffusion layer
300 g of carbon black (conductive material) was mixed in 1000 g of water to form a mixed solution. The mixed solution was stirred for 10 minutes with a stirrer. Further, 250 g of a dispersion solution (trade name: POLYFLON Dl grade) having a concentration of 60% by weight containing PTFE (tetrafluoroethylene manufactured by Daikin Industries, Ltd.) capable of functioning as a water repellent was added to the mixed solution. This was further stirred for 10 minutes to form a carbon ink. Then, carbon paper (Toray Industries, Ltd., trading card TGP-060,
(2)触媒ペーストの形成
白金担持濃度が55wt%の白金担持カーボン(田中貴金属工業株式会社製、TEClOE60E)を用いた。白金担持カ一ボンは、触媒である白金を担持したカーボン微小体(導電性微小体)である。そして白金担持カーボン12gと、5wt%濃度のイオン交換樹脂溶液(旭化成工業株式会社製、SS−1080)127gと、溶媒としての水23gと、成形助剤としてのイソプロピルアルコール23gとを充分に混合し、酸化剤極用の触媒ペーストを製作した。前記したイオン交換樹脂溶液は、イオン伝導性(プロトン伝導性)をもつ炭化フッ素系の電解質ポリマー(ガラス転移温度:120℃)を主要成分としており、これを液状媒体としての水とエタノールとの混合溶液に溶解または分散させたものである。具体的には、本実施例によれば、炭化フッ素系の電解質ポリマーは、パーフルオロスルホン酸を主成分としている。
(2) Formation of catalyst paste Platinum-supporting carbon (TEClOE60E, manufactured by Tanaka Kikinzoku Kogyo Co., Ltd.) having a platinum-supporting concentration of 55 wt% was used. The platinum-carrying carbon is a carbon minute body (conductive minute body) carrying platinum as a catalyst. Then, 12 g of platinum-supporting carbon, 127 g of an ion exchange resin solution having a concentration of 5 wt% (SS-1080, manufactured by Asahi Kasei Kogyo Co., Ltd.), 23 g of water as a solvent, and 23 g of isopropyl alcohol as a molding aid are sufficiently mixed. A catalyst paste for the oxidizer electrode was manufactured. The above-mentioned ion exchange resin solution is mainly composed of a fluorinated electrolyte polymer (glass transition temperature: 120 ° C) having ion conductivity (proton conductivity), which is a mixture of water and ethanol as a liquid medium. It is dissolved or dispersed in a solution. Specifically, according to the present example, the fluorocarbon electrolyte polymer contains perfluorosulfonic acid as a main component.
(3)積層体の形成
ドクターブレード法によリ、上記した触媒ペーストをフッ素樹脂製のシート13に塗布して酸化剤極用の触媒層14を形成した(図6(B)参照)。この場合、触媒層14において、単位面積当たりの白金担持量が0.6mg/cm2になるようにした。その後、触媒層14を乾燥させて、酸化剤極シート15とした(図6(B)参照))。
(3) Formation of Laminate By the doctor blade method, the catalyst paste described above was applied to the
また、燃料極用の触媒金属として、白金担持カーボンの代わりに白金ルテニウム合金担持カーボン(田中貴金属工業株式会社製、TEC61E54)を用いた。そして白金ルテニウム合金担持カーボンを用い、前述と同様な方法によって、燃料極用の触媒ペーストを形成した。この場合、白金ルテニウム合金担持カーボンにおいて、白金の担持濃度は30wt%であり、ルテニウムの担持濃度は23wt%である。これは、白金とルテニウムとを担持したカーボン微小体(導電性微小体)である。この触媒ペーストをドクタープレード法によリフッ素樹脂製のシート17に塗布し、燃料極用の触媒層18(図6(B)参照)を形成した。この場合、触媒層18において、単位面積当たりの白金担持量が0.6mg/cm2になるようにした。その後、燃料極用の触媒層18を乾燥させ、燃料極シート19(図6(B)参照)とした。更に、イオン伝導性をもつイオン交換膜(厚みが25μm,デュポン社製、商品名 Nafion 111)からなる電解質膜20を用いた。電解質膜20は端面20fをもつ。そして、図6(C)に示すように、電解質膜20の厚み方向の両側に上記の酸化剤極シート15及び燃料極シート19を配置した。これによりシート状の中間積層体25を形成した。この場合、触媒層14、18と電解質膜20の表出面とが接触するように積層した。そして温度120℃、圧力8MPa、時間1分間という条件で中間積層体25を予備的に厚み方向にホットプレスし、電解質膜20に触媒層14、18を転写した。その後、フッ素樹脂製のシート13、17を中間積層体25から剥離した(図6(D)参照)。
In addition, platinum ruthenium alloy-supported carbon (manufactured by Tanaka Kikinzoku Kogyo Co., Ltd., TEC61E54) was used as the catalyst metal for the fuel electrode instead of platinum-supported carbon. Then, a catalyst paste for a fuel electrode was formed using platinum ruthenium alloy-supported carbon by the same method as described above. In this case, in the platinum-ruthenium alloy-supported carbon, the platinum support concentration is 30 wt%, and the ruthenium support concentration is 23 wt%. This is a carbon minute body (conductive minute body) carrying platinum and ruthenium. This catalyst paste was applied to a
(4)加圧工程
図6(E)に示すように、中間積層体25の厚み方向の両側に、それぞれ、燃料極用のガス拡散層10と酸化剤極用のガス拡散層11とを配置し、MEA30を形成した。MEA30の厚みは、全域にわたり実質的に等しいと考えられる。そして、温度140℃、圧力8MPa、時間3分間というホットプレス条件で、ホットプレス型50を用い、MEA30を厚み方向に加熱加圧してホットプレスした(図7参照)。
(4) Pressurization step As shown in FIG. 6 (E), the
図7に示すように、ホットプレス型50は、平坦な第1加圧面310を有する上型として機能する第1加圧体300と、平坦な第2加圧面410を有する下型として機能する第2加圧体400とを備えている。第1加圧体300及び第2加圧体400はそれぞれヒータを有する。そして、第2加圧体400が固定されている状態において、第1加圧体300を矢印D1方向に下降させることにより、MEA30をこれの厚み方向に加圧する。これによりMEA30の一体化を進めた。
As shown in FIG. 7, the
このようにホットプレスするにあたり、図7に示すように、第1加圧体300と第2加圧体400との間に、つまり、金属製(例えばステンレス等の合金)の第1中間板501と第2中間板502との間に、ステンレス製のスペーサ60を配置してプレスした。スペーサ60は、MEA30の空気出口側に配置されているが、空気入口側には配置されていない。
In performing hot pressing in this way, as shown in FIG. 7, a first
図7は加圧する前の状態を示す。図7はあくまでも概念を示すものであり、厚み方向において拡大して示す。図7は細部のサイズまで規定するものでない。上から下にかけて、第1加圧体300、第1中間板501、MEA30、第2中間板502、第2加圧体400の順に配置されている。MEA30は、これの厚み方向において、ガス拡散層10、触媒層14,電解質膜20,触媒層18,ガス拡散層11の順に配置されている。触媒層14,18は、触媒を担持したカーボン微小体と、プロトン伝導性をもつ電解質成分とを有するとともに、ガス透過性を確保するように多孔質とされている。図7に示すように、スペーサ60の上端面60uは、加圧する前のMEA30の上面30uよりも上方にΔh突出している。スペーサ60は加圧量規制効果を有する。このためMEA30のうち空気出口部32(酸化剤ガス出口部)の加圧量は、空気入口部(酸化剤ガス入口部)31の加圧量よりも制限されて小さくなる。その理由としては、加圧工程において、スペーサ60の影響により第1加圧体300が変位したもの等によると推定される。従って、厚み方向において、MEA30の空気出口部32の加圧量Poutは、MEA30の空気入口部31の加圧量Pinよりも少なく設定される。これによりMEA30の空気出口部32の気孔率Voutが、空気入口部31の気孔率Vinよりも相対的に高めに設定される。このためMEA30における空気出口部32の水排出性が確保され、空気出口部32のフラッディング現象が抑制される。
FIG. 7 shows a state before pressurization. FIG. 7 merely shows the concept and is shown enlarged in the thickness direction. FIG. 7 does not define the size of the details. From the top to the bottom, the
以上説明したよう本実施例によれば、MEA30の空気出口部32の厚み方向の加圧量は、膜電極接合体100またはガス拡散層200の空気入口部31の厚み方向の加圧量よりも少なく設定される。これによりMEA30の空気出口部32の気孔率が、空気入口部31の気孔率よりも相対的に高めに設定される。このためMEA30における空気出口部32の水排出性が確保され、空気出口部32のフラッディング現象が抑制される。
As described above, according to the present embodiment, the pressurization amount in the thickness direction of the
更に、MEA30を加圧するときにスペーサ60を用いるため、電解質膜20に接合されているガス透過性を有する触媒層14、18それ自体についても、空気出口部の気孔率Voutが、空気入口部の気孔率Vinよりも相対的に高めに設定されると考えられる。従って、触媒層14、18についても、空気出口部のフラッディング現象が抑制される。
Further, since the
なおスペーサ60を、加圧方向と交差する方向つまり矢印X1,X2方向に位置調整すれば、MEA30の空気出口部32の厚み方向の加圧量を可変的に調整することができる利点が得られる。この場合、MEA30の空気出口部32の気孔率を調整することができ、MEA30における空気出口部32の水排出性が確保される。スペーサ60は平坦な上面60u及び平坦な下面60dを有するため、加圧の際における受圧面積が確保され、スペーサ60の変形、摩耗、損傷等の低減に有利である。図7はMEA30、スペーサ60については厚み方向に拡大して図示しているが、スペーサ60は板状であるため、加圧の際における受圧面積が確保され、スペーサ60の変形、摩耗、損傷等の低減に有利である。
If the position of the
(5)試験例
スペーサ60の厚みを表1に示すように20〜100μmにおいて変更し、気孔率を変えたMEA30の試験片を形成した。他の条件は上記と同様とした。この場合、図8はプレスする状態の平面視を示す。図8及び図9は試験例で用いた試験片のサイズも併せて示す。図8において、スペーサ60の寸法L1は50ミリメートル、ガス拡散層10の寸法L2は170ミリメートル、ガス拡散層10の寸法L3は130ミリメートルとされている。本試験例では、MEA30において空気入口部31及び空気出口部32の定義としては、図9に示すように、寸法L4として規定される領域を空気入口部31とし、寸法L5として規定される領域を空気出口部32とした。寸法L4は50ミリメートル、寸法L5は50ミリメートルとした。このように形成したMEA30について、気孔率、ガス拡散層と触媒層との密着度、発電性能をそれぞれ測定した。更に、(空気出口部32の気孔率/空気入口部31の気孔率)の比率を計算で求め、これをβとした。βとしては約1.05〜1.2の範囲内とされている。
(5) Test Example As shown in Table 1, the thickness of the
(気孔率の評価)
MEA30の気孔率については、MEA30のうち空気入口部31と空気出口部32との2箇所について測定した。気孔率測定装置は、Mic r ome ritic社製 AutoPore IV9500を用い、水銀圧入法に基づいて測定した。測定結果を表1に示す。
(Evaluation of porosity)
About the porosity of MEA30, it measured about two places of the
(ガス拡散層と触媒層との密着度の評価)
ホットプレス後のMEA30を手作業ではがして、ガス拡散層と触媒層との密着度、触媒層の表面状態を外観目視により観察し、密着度を評価した。結果を表1に示す。
(Evaluation of adhesion between gas diffusion layer and catalyst layer)
The
図10は発電性能試験に使用した単セルの断面図を示す。30はMEAを示す。MEA30は固体高分子電解質膜20を厚み方向に一対の電極(酸化剤極と燃料極)で挟持接合されて構成されている。このMEA30の厚み方向の両側を、カーボン製のセパレータ150とセパレータ180で挟んで、単セル100を作製した。一方のセパレータ150には酸化剤ガス供給口151、酸化剤ガス通流溝152、酸化剤ガス排出口153が設けられている。他方のセパレータ180には燃料ガス供給口181、燃料ガス通流溝182、燃料ガス排出口183が設けられている。酸化剤ガス供給口151より酸化剤ガス通流溝152を介して酸化剤極に2.5atm(252kPa)の空気を供給した。また、燃料ガス供給口181より燃料ガス通流溝182を介して燃料極に2.5atm(252kPa)の水素ガスを供給した。水分の加湿はバブリンク法により空気および水素ともに加湿して行った。セパレータ150とセパレータ180の電気端子から発電した電気を取り出し、外部の可変抵抗190で抵抗値を変えて電流密度とセル電圧とを測定した。測定結果を図11に示す。
FIG. 10 shows a cross-sectional view of a single cell used in the power generation performance test.
(比較例〉
比較例は上記した実施例1と基本的には同様の条件で形成されている。但し、比較例は、ホットプレス時にホットプレス型50の間にステンレス製のスペーサを入れないでプレスされている。表1は、比較例について気孔率、ガス拡散層と触媒層との密着度に示す。比較例について発電性能試験を実施して行った結果を図11に示す。
(Comparative example)
The comparative example is formed under basically the same conditions as in the first embodiment. However, the comparative example is pressed without inserting a stainless steel spacer between the
表1に示すように、ホットプレス時に第1加圧体300と第2加圧体400との間にスペーサ60を介在させると、MEA30において、空気出口部32の気孔率は空気入口部31の気孔率よりも大きくなる。これは、スペーサ60の圧縮量規制効果により、MEA30のうちスペーサ30が遠い位置とされている空気入口部31の方が加圧量が大きくなり、MEA30のうちスペーサ30が近い位置とされている空気出口部32の方が加圧量が小さくなるためと考えられる。ガス拡散層と触媒層との密着度の評価としては、実施例1,実施例2,実施例3については◎であり、かなり良好であった。また実施例4,実施例5については密着度の評価は○であった。
As shown in Table 1, when the
図11に示すように、実施例1〜実施例3では、スペーサ60を使用しない比較例よりも、燃料電池の出力が高くなっている。これは表1で示したように、実施例1〜実施例3では空気出口部32の気孔率が高くなっているため、フラッディング現象が発生しにくくなっているためと推察される。実施例4,実施例5についても、発電性能試験を行っていないものの同様と推察される。
As shown in FIG. 11, in Examples 1 to 3, the output of the fuel cell is higher than in the comparative example in which the
(その他)
図12に示す他の実施例のように、スペーサ60の位置決めを行う凸状の位置決め部480を第2加圧体400の側の第2中間板502に設けることができる。この場合、矢印X1、X2方向におけるスペーサ60の位置が確定されるため、MEA30の空気出口部32の厚み方向の加圧量Poutのバラツキが抑制される。これによりMEA30の空気出口部32の気孔率Voutのバラツキが抑制され、MEA30の空気出口部32における水の排出性のバラツキ低減に有利となる。
(Other)
As in another embodiment shown in FIG. 12, a
図13(A)(B)はMEA30のうちセパレータに形成されているガス通流溝を模式的に投影したものである。ガス通流溝は各種のパターンをもつが、いずれも、MEA30の空気出口部32の厚み方向の加圧量Poutは、MEA30の空気入口部31の厚み方向の加圧量Pinよりも少なく設定されている。これによりMEA30の空気出口部32の気孔率Voutは、空気入口部31の気孔率Vinよりも相対的に高めに維持されている。このため前述同様に、MEA30における空気出口部32の水排出性が確保され、空気出口部32のフラッディング現象が抑制される。その他、本発明は上記し且つ図面に示した実施形態、実施例のみに限定されるものではなく、ホットプレスする場合に限らず、場合によっては常温領域でプレスすることにしても良い等、要旨を逸脱しない範囲内で適宜変更して実施できるものである。
13A and 13B are schematic projections of gas flow grooves formed in the separator of the
本発明は固体高分子型の燃料電池に利用することができる。 The present invention can be used for a polymer electrolyte fuel cell.
図中、30はMEA、31は空気入口部、32は空気出口部、100は膜電極接合体、200はガス拡散層、300は第1加圧体、310は第1加圧面、400は第2加圧体、410は第2加圧面を示す。 In the figure, 30 is an MEA, 31 is an air inlet portion, 32 is an air outlet portion, 100 is a membrane electrode assembly, 200 is a gas diffusion layer, 300 is a first pressure body, 310 is a first pressure surface, and 400 is a first pressure surface. 2 pressurization bodies and 410 show a 2nd pressurization surface.
Claims (5)
前記膜電極接合体または前記ガス拡散層を前記第1加圧体及び前記第2加圧体で挟んで厚み方向に加圧する加圧工程とを実施する燃料電池素材の加圧方法において、
前記加圧工程では、前記膜電極接合体または前記ガス拡散層の酸化剤ガス出口側の加圧量を、前記膜電極接合体または前記ガス拡散層の酸化剤ガス入口側の加圧量よりも少なく設定することを特徴とする燃料電池素材の加圧方法。 A step of preparing a membrane electrode assembly or a gas diffusion layer, and a first pressurizing body and a second pressurizing body capable of pressurizing them in the thickness direction;
In a method for pressurizing a fuel cell material, a pressurizing step of pressing the membrane electrode assembly or the gas diffusion layer between the first pressurizer and the second pressurizer in the thickness direction is performed.
In the pressurizing step, the pressurization amount on the oxidant gas outlet side of the membrane electrode assembly or the gas diffusion layer is set to be higher than the pressurization amount on the oxidant gas inlet side of the membrane electrode assembly or the gas diffusion layer. A method for pressurizing a fuel cell material, characterized in that it is set to a small amount.
前記膜電極接合体または前記ガス拡散層を前記第1加圧体及び前記第2加圧体で挟んで厚み方向に加圧する加圧工程とを実施する燃料電池素材の加圧方法において、
加圧に先立ち、スペーサをこれが前記第1加圧体と前記第2加圧体との間に位置するように前記膜電極接合体または前記ガス拡散層の酸化剤ガス出口側に配置し、
前記加圧工程では、前記スペーサにより、前記膜電極接合体または前記ガス拡散層の酸化剤ガス出口側の加圧量を、前記膜電極接合体または前記ガス拡散層の酸化剤ガス入口側の加圧量よりも少なく設定することを特徴とする燃料電池素材の加圧方法。 A step of preparing a membrane electrode assembly or a gas diffusion layer, and a first pressurizing body and a second pressurizing body capable of pressurizing them in the thickness direction;
In a method for pressurizing a fuel cell material, a pressurizing step of pressing the membrane electrode assembly or the gas diffusion layer between the first pressurizer and the second pressurizer in the thickness direction is performed.
Prior to pressurization, a spacer is disposed on the oxidant gas outlet side of the membrane electrode assembly or the gas diffusion layer so that the spacer is located between the first pressurizer and the second pressurizer,
In the pressurizing step, an amount of pressurization on the oxidant gas outlet side of the membrane electrode assembly or the gas diffusion layer is added by the spacer to an oxidant gas inlet side of the membrane electrode assembly or the gas diffusion layer. A method for pressurizing a fuel cell material, wherein the pressure is set to be less than a pressure amount.
前記膜電極接合体または前記ガス拡散層を前記第1加圧体及び前記第2加圧体で挟んで厚み方向に加圧する加圧工程とを実施する燃料電池素材の加圧方法において、
前記第1加圧体の第1加圧面及び前記第2加圧体の第2加圧面のうちの少なくとも一方は、
前記膜電極接合体または前記ガス拡散層の酸化剤ガス出口側の加圧量を、前記膜電極接合体または前記ガス拡散層の酸化剤ガス入口側の加圧量よりも少なく設定する表面を有するように設定されていることを特徴とする燃料電池素材の加圧方法。 A step of preparing a membrane electrode assembly or a gas diffusion layer, and a first pressurizing body and a second pressurizing body capable of pressurizing them in the thickness direction;
In a method for pressurizing a fuel cell material, a pressurizing step of pressing the membrane electrode assembly or the gas diffusion layer between the first pressurizer and the second pressurizer in the thickness direction is performed.
At least one of the first pressure surface of the first pressure body and the second pressure surface of the second pressure body is:
A surface for setting a pressurization amount on the oxidant gas outlet side of the membrane electrode assembly or the gas diffusion layer to be smaller than a pressurization amount on the oxidant gas inlet side of the membrane electrode assembly or the gas diffusion layer; A method for pressurizing a fuel cell material, characterized by being set as follows.
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- 2004-06-18 JP JP2004180958A patent/JP2006004808A/en active Pending
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