JP2006310104A - Diffusion layer for fuel cell, and the fuel cell - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料電池用の拡散層及びそれを用いた燃料電池に関する。 The present invention relates to a diffusion layer for a fuel cell and a fuel cell using the same.
従来、固体高分子膜を用いた固体高分子型燃料電池が知られている(例えば特許文献1)。 Conventionally, a polymer electrolyte fuel cell using a polymer electrolyte membrane is known (for example, Patent Document 1).
固体高分子型燃料電池では、図6に示すように、高分子電解質膜91が触媒層92a、92bで挟まれ、触媒層92a、92bがガス透過性を有する拡散層93a、93bで挟まれている。そして、さらに拡散層93a、93bが集電用の電極となるセパレータ95a、95bに挟まれた構造とされている。セパレータ95a、95bには連続するコ字形状の凹凸が形成されており、この凹凸によって拡散層93a、93bとセパレータ95a、95bとの間に無数のガス通路94a、94bが形成されている。
In the polymer electrolyte fuel cell, as shown in FIG. 6, a
この固体高分子型燃料電池では、アノード側のガス通路94aに供給された水素ガスがガス透過性を有する拡散層93aを通り、触媒層92aに供給される。そして、触媒層92aに到達した水素は電気化学反応によって酸化され、プロトンと電子に分かれる。こうしてアノード側の触媒層92aで生成した電子は、拡散層93a及びセパレータ94aを通り、外部回路に流れる。
In this polymer electrolyte fuel cell, hydrogen gas supplied to the
一方、カソード側のガス通路94bに供給された空気は、ガス透過性を有する拡散層93bを通って触媒層92bに供給される。そして、アノード側で発生した電子は外部回路、セパレータ94b及びカソード拡散層93bを経てカソード触媒層92bに供給され、触媒層92bに到達した酸素を還元する。
On the other hand, the air supplied to the cathode-
このように、固体高分子型燃料電池における拡散層93a、93bは、集電用の電極としての機能を有している。
Thus, the
固体高分子型燃料電池の高出力化を図るためには、拡散層と触媒層との接触抵抗及び拡散層自体の抵抗をできるだけ小さくし、電池の内部抵抗を下げることが望ましい。このためには、拡散層を触媒層に対してできる限り均等な圧力で押し付け、拡散層と触媒層との接触が不良となる部分がないようにし、且つ拡散層内部の繊維を互いに密着させる必要がある。そのための方法として、セパレータと拡散層との接触面積を広くすることが考えられる。しかし、この方法では、ガス通路に関する設計上の制限が大きくなる。また、セパレータと拡散層とが接触する部分がガス供給に寄与しないデッドスペースとなるため、セパレータと拡散層との間に設けられるガス通路が狭くなり、燃料電池の高出力化や小型化が困難となる。 In order to increase the output of the polymer electrolyte fuel cell, it is desirable to reduce the contact resistance between the diffusion layer and the catalyst layer and the resistance of the diffusion layer itself as much as possible to reduce the internal resistance of the cell. For this purpose, it is necessary to press the diffusion layer against the catalyst layer with as even pressure as possible, so that there is no portion where the contact between the diffusion layer and the catalyst layer becomes poor, and the fibers inside the diffusion layer need to adhere to each other. There is. As a method for that, it is conceivable to increase the contact area between the separator and the diffusion layer. However, this method increases the design limitation on the gas passage. In addition, since the portion where the separator and the diffusion layer come into contact is a dead space that does not contribute to the gas supply, the gas passage provided between the separator and the diffusion layer is narrowed, making it difficult to increase the output and size of the fuel cell. It becomes.
本発明は、上記従来の実情に鑑みてなされたものであり、ガス通路設計における自由度が大きく、拡散層と触媒層との接触抵抗が小さく、高出力化や小型化が可能な燃料電池用の拡散層及び燃料電池を提供することを解決すべき課題としている。 The present invention has been made in view of the above-described conventional situation, and has a high degree of freedom in gas passage design, a low contact resistance between a diffusion layer and a catalyst layer, and a fuel cell for which high output and miniaturization are possible. The problem to be solved is to provide a diffusion layer and a fuel cell.
本発明の燃料電池用の拡散層は、ガス透過性を有する基材を備え、該基材には曲げに対する剛性を高めるための補強材が設けられていることを特徴とする。 The diffusion layer for a fuel cell according to the present invention includes a base material having gas permeability, and the base material is provided with a reinforcing material for increasing rigidity against bending.
本発明の燃料電池用の拡散層では、ガス透過性を有する基材に剛性を高めるための補強材が設けられているため、拡散層を触媒層に押し付けた場合、拡散層の剛性により、触媒層に対して均等に圧力をかけることができる。このため、セパレータを拡散層側に押し付けて拡散層を触媒層接触させた場合、たとえ、セパレータと拡散層との接触面積が小さくても、拡散層の全面積が触媒層に均等に圧力をかけることとなり、拡散層と触媒層との接触抵抗及び拡散層自体の抵抗を小さくすることができる。このため、セパレータと拡散層との間のガス通路に広い面積を割り当てることが可能となり、ガス通路設計における自由度が大きいとともに、燃料電池の高出力化や小型化を図ることができる。 In the diffusion layer for a fuel cell according to the present invention, a reinforcing material for increasing rigidity is provided on a base material having gas permeability. Therefore, when the diffusion layer is pressed against the catalyst layer, the catalyst is formed by the rigidity of the diffusion layer. Pressure can be applied evenly to the layer. For this reason, when the separator is pressed against the diffusion layer side and the diffusion layer is brought into contact with the catalyst layer, even if the contact area between the separator and the diffusion layer is small, the entire area of the diffusion layer uniformly applies pressure to the catalyst layer. Thus, the contact resistance between the diffusion layer and the catalyst layer and the resistance of the diffusion layer itself can be reduced. For this reason, it becomes possible to allocate a wide area to the gas passage between the separator and the diffusion layer, and the degree of freedom in designing the gas passage is great, and the output of the fuel cell can be increased and the size can be reduced.
補強材はガス透過性を確保しつつ曲げに対する剛性を高めるものであれば、その形状は任意に選択可能である。後述の実施例では格子状の補強材を採用しているが、所定の曲げ剛性を有する繊維からなる網を用いることもできる。更には、拡散層中に曲げ弾性の高い繊維を(網を形成することなく)存在させておくことができる。かかる繊維は交差する2方向へ配置することが好ましいが、単一の方向のみへ当該繊維を配置させるのみでもよい。
補強材は拡散層の全面に設けられるものであるが、その設置位置は特にセパレータ側が好ましく、拡散層の表面に添設してもよい。また、複数の補強材を拡散層内部及び表面に存在させることも可能である。
補強材の形成材料は、燃料電池の内部において化学的に安定な材料であれば特に限定されず、耐腐食性の金属やカーボンなどを選択することができる。また、補強材は導電性を備えることがこのましい。
The shape of the reinforcing material can be arbitrarily selected as long as the rigidity is enhanced while the gas permeability is secured. In the embodiments described later, a grid-like reinforcing material is used, but a net made of fibers having a predetermined bending rigidity can also be used. Furthermore, fibers having high bending elasticity can be present (without forming a net) in the diffusion layer. Such fibers are preferably arranged in two intersecting directions, but the fibers may be arranged only in a single direction.
The reinforcing material is provided on the entire surface of the diffusion layer, but the installation position is particularly preferably on the separator side, and may be provided on the surface of the diffusion layer. It is also possible for a plurality of reinforcing materials to be present inside and on the surface of the diffusion layer.
The material for forming the reinforcing material is not particularly limited as long as it is a chemically stable material inside the fuel cell, and a corrosion-resistant metal or carbon can be selected. Moreover, it is preferable that the reinforcing material has conductivity.
上述したよう、本発明の拡散層を燃料電池に使用すれば、拡散層と触媒層との接触抵抗が小さく、高出力化や小型化が可能な燃料電池となる。 As described above, when the diffusion layer of the present invention is used in a fuel cell, the contact resistance between the diffusion layer and the catalyst layer is small, and the fuel cell can be increased in output and size.
本発明の燃料電池では、カソード側のセパレータはガス透過が可能な導電体とすることもできる。こうであれば、セパレータと拡散層とが接触する部分でもガス供給が可能となり、燃料電池のさらなる高出力化、小型化を図ることができる。また、セパレータによって形成されたガス通路間のガスの移動が可能となるため、圧力損失が小さいとともに、ガスの供給を均等に行うこともできる。さらには、セパレータをガス透過が可能な導電体としたことによってセパレータの機械的強度が低くなっても、拡散層には補強材が設けられているため、セパレータと拡散層との接触面積を大きくしなくても、拡散層と触媒層との接触抵抗及び拡散層自体の抵抗を小さくすることができる。 In the fuel cell of the present invention, the cathode-side separator can be a gas-permeable conductor. In this case, gas can be supplied even at the portion where the separator and the diffusion layer are in contact with each other, so that the output of the fuel cell can be further increased and the size can be reduced. Moreover, since the gas can be moved between the gas passages formed by the separator, the pressure loss is small and the gas can be supplied uniformly. Furthermore, even if the separator is made of a gas-permeable conductor, the diffusion layer is provided with a reinforcing material even if the mechanical strength of the separator is reduced, so the contact area between the separator and the diffusion layer is increased. Even without this, the contact resistance between the diffusion layer and the catalyst layer and the resistance of the diffusion layer itself can be reduced.
以下、本発明を具体化した実施例1及び実施例2を図面を参照しつつ説明する。
(実施例1)
実施例1の燃料電池は、図1に示す複数のセル1が用いられている。各セル1は膜電極接合体(MEA)10とアノード側セパレータ20とカソード側セパレータ21とを備えている。
Example 1
The fuel cell of Example 1 uses a plurality of
MEA10は、ナフィオン(登録商標、Nafion(Dupon社製))からなる電解質膜11と、この電解質膜11の一面に一体に接合されたアノード極12と、電解質膜11の他面に一体に接合されたカソード極13とを有している。
The
アノード極12は、電解質膜11側に設けられるアノード触媒層12aと、アノード触媒層12aの非電解質膜側に接合され、アノード触媒層12aに水素を拡散するアノード拡散層12bとからなる。アノード拡散層12bは、カーボン繊維編地を主体とするカーボン基材14aと、カーボン基材14aの両面に貼り付けられた接着層14cと、外側の接着層14cに貼り付けられたステンレス製格子状の補強材14bとからなる。
The
また、カソード極13は、電解質膜11側に設けられるカソード触媒層13aと、カソード触媒層13aの非電解質膜側に接合され、カソード触媒層13aに空気を拡散するカソード拡散層13bとからなる。カソード拡散層13bは、アノード拡散層12bと同様、カーボン繊維編地からなるカーボン基材15aと、カーボン基材15aの両面に貼り付けられた接着層15cと、外側の接着層15cに貼り付けられたステンレス製格子状の補強材15bとからなる。
The
また、アノード側セパレータ20は断面がコ字形状とされており、アノード拡散層12b側に突出する凸部20bを有している。凸部20bは図示しない押圧治具によりアノード拡散層12b側に押し当てられ、これによりアノード側セパレータ20はアノード拡散層12bと一体に接合され、水素を供給するための水素室20aが形成されている。なお、このアノード側セパレータにおいてアノード拡散層12bに押圧される凸部20bの面積を水素室20aの開口面積より大きくすることもできる。
さらに、カソード側セパレータ21もアノード側セパレータ20と同様の断面形状とされており、カソード拡散層13b側に突出する凸部21bを有している。凸部21bは図示しない押圧治具によりカソード拡散層13b側に押し当てられ、これによりカソード側セパレータ21はカソード拡散層13bと一体に接合され、空気を供給するための空気室21aが形成されている。
The
Further, the cathode-
上記のセル1が複数積層されることにより、燃料電池用のスタックが構成される。スタックには、各セル1の水素室20aに図示しないバルブを介して連通する水素ボンベと、各セル室1の空気室21aに連通するブロアとが接続されている。
By stacking a plurality of the
この燃料電池は、MEA10の拡散層12b及び拡散層13bに特徴を有している。これらの拡散層12b及び拡散層13bは、以下の製造方法によって製造することができる。
This fuel cell is characterized by the
まず、ステンレス製の薄板をプレスによって格子形状に打ち抜き、さらに耐食性及び導電性を保つため、貴金属や無機化合物や導電性高分子などによってコーティングを施して図2に示す補強材14bとする。また、カーボン繊維編地を補強材14bと同じ大きさにサイズカットし、カーボンブラック粉及びPTFE粉の混合物を塗布し、片面に補強材14bを押し当ててホットプレス法によって一体化することにより、図3及び図4に示す拡散層12bを得る。拡散層13bも同様の方法で得ることができる。なお、補強材14aとしては、表面に耐食性及び導電性を付与するための表面処理を施した金属製網や、カーボン基材15aを構成するカーボン繊維編地の繊維径よりも径の大きなカーボン繊維によって作製された網でもよい。金属製の補強材とする場合の金属材料としては、ステンレス鋼、チタン、チタン合金、ニッケル合金、銅合金等が用いられる。
First, a stainless steel thin plate is punched into a lattice shape by a press, and further coated with a noble metal, an inorganic compound, a conductive polymer, or the like in order to maintain corrosion resistance and conductivity, to obtain a reinforcing
上記実施例1の燃料電池では、図1に示すアノード側セパレータ20の凸部20bがアノード拡散層12bを押圧し、さらにアノード拡散層12bがアノード触媒層12aを押圧して電気的に接触する。ここで、アノード拡散層12bのアノード側セパレータ20側には補強材14bが挿入されているため、その剛性によりアノード拡散層12bの全面積がほぼ均等にアノード触媒層12aを押圧し、アノード拡散層12bと、アノード触媒層12aとの接触抵抗及びアノード拡散層12b内部の電気的接触が充分となる。このため、凸部20bとアノード拡散層12bとの接触面積を小さくし、水素室20aに広い面積を割り当てることができる。
In the fuel cell of Example 1, the
同様の理由から、カソード極13側においても、カソード拡散層13bが均等にカソード触媒層13aを均等に押圧し、アノード拡散層13bとアノード触媒層13aとの接触抵抗が小さくなる。このため、凸部21bとカソード拡散層13bとの接触面積を小さくして、空気室21aに広い面積を割り当てることができる。
For the same reason, also on the
したがって、実施例1の燃料電池は、ガス通路設計における自由度が大きいとともに、拡散層と触媒層との接触抵抗が小さく、燃料電池の高出力化や小型化を図ることができる。 Therefore, the fuel cell of Example 1 has a high degree of freedom in designing the gas passage, and the contact resistance between the diffusion layer and the catalyst layer is small, so that the output of the fuel cell can be increased and the size can be reduced.
(実施例2)
実施例2の燃料電池は、図5に示す複数のセル30が用いられている。各セル30はMEA40とアノード側セパレータ50とカソード側セパレータ51とを備えている。MEA40及びアノード側セパレータ50の構成は、図1に示す実施形態1のMEA10及びアノード側セパレータ20と同様であり、各部の構成については同一の符号を付して詳細な説明を省略する。
(Example 2)
The fuel cell of Example 2 uses a plurality of
カソード側セパレータ51はステンレス製金網からなり、その形状はアノード側セパレータ50と同様であり、一面側にカソード拡散層13b側に突出する凸部51bを有している。カソード側セパレータ51の他面側にはステンレス製の隔壁52が接合されている。カソード側セパレータ51はカソード拡散層13bと一体に接合され、空気を供給するための空気室51aが形成されている。
The cathode-
以上のように構成された燃料電池では、カソード側セパレータ51が空気の通過可能な金網からなるため、隣り合う空気室51a間で空気の移動が可能となり、カソード拡散層13bへの空気の拡散が均等となる。また、凸部51bからカソード拡散層13bへの空気の拡散も可能となるため、空気供給のためのデッドスペースがなくなり、燃料電池のさらなる高出力化、小型化を図ることができる。また、カソード拡散層13bには補強材15bが挿入されているため、カソード側セパレータ51と拡散層13bとの接触面積をそれほど大きくしなくても、カソード拡散層13bと触媒層13aとの接触抵抗及びカソード拡散層13b自体の抵抗を小さくすることができる。
なお、カソード側セパレータ51の凸部51bの面積割合を大きくした場合には、補強材15bがなくても、カソード拡散層と触媒層との接触抵抗及びカソード拡散層自体の抵抗を小さくすることができる。
In the fuel cell configured as described above, since the
In addition, when the area ratio of the
一方、アノード側セパレータ50及びアノード極12は実施例1と同様の構造とされているため、これにより同様の作用効果を奏することができる。
On the other hand, since the anode-
本発明は固体高分子型燃料電池に利用可能である。 The present invention is applicable to a polymer electrolyte fuel cell.
14a、15a…基材(14a…カーボン基材、15a…カーボン基材)
14b、15b…補強材
12b、13b…拡散層(12b…カソード拡散層、13b…アノード拡散層)
20、21、51…セパレータ
14a, 15a ... base material (14a ... carbon base material, 15a ... carbon base material)
14b, 15b ... Reinforcing
20, 21, 51 ... separator
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