JP2007087651A - Gas diffusion layer for solid polymer fuel cell - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、固体高分子型燃料電池を構成する燃料極や空気極に用いられるガス拡散層に関するものである。 The present invention relates to a gas diffusion layer used for a fuel electrode and an air electrode constituting a solid polymer fuel cell.
固体高分子型燃料電池は、固体高分子膜から成る電解質層を一対の電極で挟んだ構造を有し、一対の電極のうちの燃料極(アノード)に、水素を含有する燃料ガスを供給すると共に、一対の電極のうちの空気極(カソード)に、酸素を含有する酸化ガスを供給し、各電極の電解質層側の面で下記式の電気化学反応を生じさせて、電極から電気エネルギを取り出すものである。 A polymer electrolyte fuel cell has a structure in which an electrolyte layer made of a polymer electrolyte membrane is sandwiched between a pair of electrodes, and a fuel gas containing hydrogen is supplied to a fuel electrode (anode) of the pair of electrodes. At the same time, an oxidizing gas containing oxygen is supplied to the air electrode (cathode) of the pair of electrodes, and an electrochemical reaction of the following formula is caused on the surface of each electrode on the electrolyte layer side to generate electric energy from the electrodes. It is something to take out.
燃料極反応:H2 → 2H+ + 2e− …(式1)
空気極反応:2H+ + 2e− + (1/2)O2 → H2O …(式2)
Fuel electrode reaction: H 2 → 2H + + 2e − (Formula 1)
Air electrode reaction: 2H + + 2e − + (1/2) O 2 → H 2 O (Formula 2)
燃料極に対する燃料ガスの供給には、水素貯蔵装置から純水素である燃料ガスを直接供給する方法や、水素を含有する燃料を改質してこれを燃料ガスとして供給する方法が知られている。また、水素貯蔵装置には、高圧ガスタンク、液化水素タンク及び水素吸蔵合金タンク等があり、水素を含有する燃料には、天然ガス、メタノール及びガソリン等がある。他方、空気極に供給する酸化ガスには、一般的に空気が利用されている。 For supplying fuel gas to the fuel electrode, a method of directly supplying a fuel gas that is pure hydrogen from a hydrogen storage device, or a method of reforming a fuel containing hydrogen and supplying it as a fuel gas is known. . The hydrogen storage device includes a high-pressure gas tank, a liquefied hydrogen tank, a hydrogen storage alloy tank, and the like, and the fuel containing hydrogen includes natural gas, methanol, gasoline, and the like. On the other hand, air is generally used as the oxidizing gas supplied to the air electrode.
さらに、固高分子型燃料電池では、電解質層を保湿状態にしておく必要があり、電解質層の性能を充分に引き出して発電効率を向上させるためには、電解質層の水分量を最適に保つ必要がある。このため、固高分子型燃料電池では、導入する燃料ガス及び空気に対して予め充分な加湿を行っている。 Furthermore, in the polymer electrolyte fuel cell, it is necessary to keep the electrolyte layer in a moist state, and in order to fully draw out the performance of the electrolyte layer and improve the power generation efficiency, it is necessary to keep the water content of the electrolyte layer optimal. There is. For this reason, in the polymer electrolyte fuel cell, sufficient humidification is performed in advance on the fuel gas and air to be introduced.
ところで、固高分子型燃料電池では、上述した電気化学反応の進行に伴って空気極側で水が生じる。この生成水は、空気極に供給している酸化ガス中に気化し、酸化ガスとともに燃料電池外に排出されるのであるが、生成量が多いときやガス流路中に部分的に温度が低い領域があると、空気極を構成するガス拡散層内で凝縮し、同ガス拡散層内に水が滞留してしまうことがある。 By the way, in the polymer electrolyte fuel cell, water is generated on the air electrode side as the above-described electrochemical reaction proceeds. This generated water is vaporized in the oxidizing gas supplied to the air electrode and discharged together with the oxidizing gas to the outside of the fuel cell. However, when the amount of generated water is large or in the gas flow path, the temperature is partially low. If there is a region, condensation may occur in the gas diffusion layer constituting the air electrode, and water may remain in the gas diffusion layer.
また、燃料極側では、電気化学反応による生成水は存在しないが、先述の如く導入する燃料ガスに予め加湿を行っているので、燃料ガスの消費とともにガス量が減少すると、燃料ガス中の水分が凝縮し、とくに燃料極を構成するガス拡散層内で水分が凝縮し、同ガス拡散層内に水が滞留してしまうことがある。 On the fuel electrode side, water produced by the electrochemical reaction does not exist, but since the fuel gas to be introduced is previously humidified as described above, if the amount of gas decreases as the fuel gas is consumed, the water content in the fuel gas is reduced. Condensate, and in particular, water may condense in the gas diffusion layer constituting the fuel electrode, and water may remain in the gas diffusion layer.
そして、上記のようにガス拡散層内に水が滞留すると、ガス拡散層の空孔が水で塞がれてガスの拡散が阻害されるフラッディング現象(水つまり)が生じ、電池性能が低下することがあった。 When water stays in the gas diffusion layer as described above, a flooding phenomenon (water clogging) occurs in which the pores of the gas diffusion layer are blocked with water and gas diffusion is inhibited, and the battery performance is deteriorated. There was a thing.
そこで、従来にあっては、ガス拡散層の気孔(空孔)の径を規定することで、水が滞留した場合でも気孔を確保してガス拡散を可能にし、これにより電池性能の低下を抑制することが提案されていた(特許文献1)。
しかしながら、上記したような従来のガス拡散層にあっては、電池性能の低下を抑制し得る理由は明らかではないうえに、ガス拡散の役割を果たすと考えられる気孔径が15nm〜1μmと非常に小さく、なお且つその気孔容積も小さいので、ガスの拡散性が必ずしも充分であるとは言えず、これにより電池性能が低下するという問題点があった。 However, in the conventional gas diffusion layer as described above, the reason why the deterioration of the battery performance can be suppressed is not clear, and the pore diameter considered to play a role of gas diffusion is very 15 nm to 1 μm. Since it is small and its pore volume is small, it cannot be said that the gas diffusivity is sufficient, and this causes a problem that the battery performance is lowered.
本発明は、上記従来の課題に着目して成されたものであって、ガス拡散層内に水が滞留した場合であっても、フラッディング現象の発生を防止することができると共に、ガスの拡散性を充分に確保することができる固体高分子型燃料電池のガス拡散層を提供することを目的としている。 The present invention has been made paying attention to the above-mentioned conventional problems, and even when water is retained in the gas diffusion layer, it is possible to prevent the occurrence of flooding phenomenon and to diffuse the gas. It is an object of the present invention to provide a gas diffusion layer of a polymer electrolyte fuel cell that can sufficiently ensure the properties.
本発明は、固体高分子膜から成る電解質層の両面に、触媒層、ガス拡散層を有する燃料極及び空気極を備えた固体高分子型燃料電池における少なくとも一方の電極のガス拡散層であって、空孔のポア径の分布として、水の排出パスとなるポア径のピークと、ガスの拡散パスとなるポア径のピークを有する構成としており、上記構成をもって従来の課題を解決するための手段としている。 The present invention is a gas diffusion layer of at least one electrode in a solid polymer fuel cell comprising a catalyst layer, a fuel electrode having a gas diffusion layer, and an air electrode on both surfaces of an electrolyte layer made of a solid polymer membrane. The pore diameter distribution of the pores has a pore diameter peak that serves as a water discharge path and a pore diameter peak that serves as a gas diffusion path. Means for solving the conventional problems with the above structure It is said.
また、本発明は、より好ましい実施形態として、空孔のポア径の分布において、5μm〜50μmの間に水の排出パスとなるポア径のピークを有すると共に、100μm及びその近傍の範囲にガスの拡散パスとなるポア径のピークを有することを特徴としている。 As a more preferred embodiment, the present invention has a pore diameter distribution between 5 μm and 50 μm in the pore diameter distribution of the pores, and has a gas diameter in the range of 100 μm and the vicinity thereof. It is characterized by having a pore diameter peak that becomes a diffusion path.
さらに、本発明は、より好ましい実施形態として、空孔のポア径の分布において、5μm〜100μmの間に、水の排出パスとなるポア径のピークと、ガスの拡散パスとなるポア径のピークを有することを特徴としている。 Furthermore, as a more preferable embodiment, the present invention provides a pore diameter peak serving as a water discharge path and a pore diameter peak serving as a gas diffusion path between 5 μm and 100 μm. It is characterized by having.
本発明のガス拡散層は、空孔のポア径の分布として、水の排出パスとなるポア径のピークと、ガスの拡散パスとなるポア径のピークを有するものとしたことから、排水性とガスの拡散性の両方が個別に確保され、ガス拡散層内に水が滞留した場合でも、その水が主に排水パスに滞留して拡散パスが確保されるので、フラッディング現象を防止しつつ、ガスの拡散性を充分に確保することができる。 Since the gas diffusion layer of the present invention has a pore diameter peak serving as a water discharge path and a pore diameter peak serving as a gas diffusion path as the pore diameter distribution of the pores, Both gas diffusibility is ensured individually, and even when water stays in the gas diffusion layer, the water stays mainly in the drainage path and the diffusion path is secured, preventing flooding phenomenon, Sufficient gas diffusibility can be ensured.
したがって、上記のガス拡散層を用いた固体高分子型燃料電池は、フラッディング現象が生じることもなく、良好な電池性能を維持し得るものとなる。 Therefore, the polymer electrolyte fuel cell using the gas diffusion layer can maintain good cell performance without causing flooding.
以下、図面に基づいて、本発明に係わる固体高分子型燃料電池のガス拡散層の一実施例を説明する。 Hereinafter, an embodiment of a gas diffusion layer of a polymer electrolyte fuel cell according to the present invention will be described with reference to the drawings.
図1は燃料電池のシステムの一例を示す図である。図示の燃料電池システムは、複数の固体高分子型燃料電池(発電要素:セル)を積層して成る燃料電池本体11と、燃料電池本体11を運転するための補機類で構成してある。燃料電池本体11には、温度を最適に保つため、その内部に不凍液であるロングライフクーラント(以下、『LLC』と略記する)を循環させている。このLLCには、例えばエチレングリコールと水の混合液等が用いられる。
FIG. 1 is a diagram showing an example of a fuel cell system. The illustrated fuel cell system includes a fuel cell
LLCの循環系は、ラジエータ12から燃料電池本体11に至る送り流路13に、LLCを蓄えたタンク14、循環駆動用のポンプ15、LLCの温度を測定する温度センサ16を備えると共に、燃料電池本体11からラジエータ12に至る戻り流路17に、バイパスバルブ18を備えており、バイパスバルブ18には、戻り流路17から送り流路13に至るバイパス流路19を連結した構成になっている。
The LLC circulation system includes a tank 14 that stores LLC, a
また、燃料電池本体11には、個々の燃料電池に対して、水素を含んだ燃料ガスの供給路21A及び排出路21Bと、酸素を含んだ酸化ガス(空気)の供給路22A及び排出路22Bが設けてあり、後記する燃料電池の水分状態を最適に保つために、燃料ガス供給系には燃料極側水回収装置21Cが設けてあり、酸化ガス供給系には空気極側水回収装置22Cが設けてある。
Further, the fuel cell
これらの水回収装置21C,22Cは、ガス間で水移動を行うための膜、中空糸あるいはポーラス材を用いたプレート等から成る水回収部材や、加湿した燃料電池からの排出ガスを入口に循環させるポンプ又はイジェクタを含むものとすることができ、また、燃料ガスと酸化ガスの間で水移動を行うようにしても良い。
These
図2は燃料電池本体11に収容した燃料電池1を示す図である。図示の燃料電池1は、電解質層を形成する固体高分子膜と触媒電極層から成る膜・電極接合体2の一方の面に、空気極側ガス拡散層3と、ガス流路4を有する空気極側セパレータ(カソードバイポーラプレート)5を積層すると共に、膜・電極接合体2の他方の面に、燃料極側ガス拡散層6と、ガス流路7を有する燃料極側セパレータ(アノードバイポーラプレート)8を備えている。
FIG. 2 is a view showing the
また、空気極側セパレータ5には、先述のLLCを循環させるためのLLC流路9が形成してある。なお、このLLC流路9は、燃料極側セパレータ8に設けても良いし、両セパレータ5.8に設けても良い。
The air
図3(a)は燃料極側のセパレータ8を示す図であり、図3(b)は空気極側のセパレータ5を示す図である。これらのセパレータ8,5は、いずれも正方形のプレート状であって、当該燃料電池1全体を貫通する状態で、LLC供給用マニホルド25A,LLC排出用マニホルド25B、燃料ガス供給用マニホルド26A、燃料ガス排出用マニホルド26B、酸化ガス供給用マニホルド27A及び酸化ガス排出用マニホルド27Bが設けてある。
FIG. 3A is a view showing the
そして、燃料極側セパレータ8には、燃料ガス供給用マニホルド26Aから燃料ガス排出用マニホルド26Bに至る先述のガス流路7が形成してあり、他方、空気極側のセパレータ5には、酸化ガス供給用マニホルド27Aから酸化ガス排出用マニホルド27Bに至る先述のガス流路4が形成してある。
The fuel
また、この実施例の各ガス流路4,7は、いずれも複数本(図示例では5本)を平行に配置すると共に、全体として概略S字状を成している。このため、ガス流路4,7は、大まかに見て中間に2箇所に曲折部分を有し、それ以外の部分が直線部分になっている。
Further, each of the
なお、図3はいずれも膜・電極接合体2側の面を示しており、図示の燃料ガスの各マニホルド26A,26B、酸化ガスの各マニホルド27A,27B及び各ガス流路4,7の配置により、燃料ガスと酸化ガスの流れはカウンタフローとなる。
3 shows the surface on the membrane /
ここで、図4は、二種類のガス拡散層の発電性能を示すグラフである。一方のガス拡散層GDL−Aは、一例としてカーボンクロスで形成したものであり、他方のガス拡散層GDL−Bは、一例としてカーボンペーパで形成したものである。図4によれば、他方のガス拡散層GDL−Bは、電流密度が増加するとフラッディング現象が発生し、電圧(セル電圧)が大きく低下する。これに対して、一方のガス拡散層GDL−Aは、他方のものと比べると、電流密度を増加させてもフラッディング現象が発生し難く、電圧の低下が少ないことが判る。 Here, FIG. 4 is a graph showing the power generation performance of two types of gas diffusion layers. One gas diffusion layer GDL-A is formed of carbon cloth as an example, and the other gas diffusion layer GDL-B is formed of carbon paper as an example. According to FIG. 4, in the other gas diffusion layer GDL-B, when the current density increases, a flooding phenomenon occurs, and the voltage (cell voltage) decreases greatly. On the other hand, it can be seen that in one gas diffusion layer GDL-A, the flooding phenomenon hardly occurs even when the current density is increased, and the voltage drop is small compared to the other gas diffusion layer GDL-A.
図5は、中性子線可視化手法を用いて測定した電池内の水分量を示すグラフである。図5によれば、カーボンクロスを用いた一方のガス拡散層GDL−Aは、カーボンペーパを用いた他方のガス拡散層GDL−Bに比べて、電池内の水分量が多く、水が滞留し易くなる。しかし、図4で説明したように、一方のガス拡散層GDL−Aは他方のガス拡散層GDL−Bに比べてフラッディング現象が発生し難い。つまり、一方のガス拡散層GDL−Aは、内部に水が滞留しても、ガスが拡散する空孔が確保されていることが判る。 FIG. 5 is a graph showing the moisture content in the battery measured using a neutron beam visualization technique. According to FIG. 5, one gas diffusion layer GDL-A using carbon cloth has a larger amount of water in the battery than the other gas diffusion layer GDL-B using carbon paper, and water is retained. It becomes easy. However, as described with reference to FIG. 4, the flooding phenomenon is less likely to occur in one gas diffusion layer GDL-A than in the other gas diffusion layer GDL-B. That is, it can be seen that one gas diffusion layer GDL-A has a hole for diffusing gas even if water stays inside.
図6は、水銀圧入法で求めた空孔のポア径分布を示すグラフである。ポア径が0.1μmの近傍に見られる小さなピークはマイクロ層によるものである。ガス拡散層の基材であるマクロ層について見ると、カーボンペーパで形成した他方のガス拡散層GDL−Bは、ポア径のピークが1箇所だけとなっている。 FIG. 6 is a graph showing the pore diameter distribution obtained by the mercury intrusion method. The small peak observed near the pore diameter of 0.1 μm is due to the microlayer. Looking at the macro layer which is the base material of the gas diffusion layer, the other gas diffusion layer GDL-B formed of carbon paper has only one peak of the pore diameter.
これに対して、カーボンクロスで形成した一方のガス拡散層GDL−Aは、ポア径が5μm〜50μmの間に第1ピークを有し、ポア径が100μm及びその近傍の範囲に第2ピークを有しており、第1ピークのポア径を有する空孔がガスの拡散パスとして機能し、第2ピークのポア径を有する空孔が水の排出パスとして機能する。 On the other hand, one gas diffusion layer GDL-A formed of carbon cloth has a first peak with a pore diameter of 5 μm to 50 μm, and a second peak in the range of the pore diameter of 100 μm and the vicinity thereof. The holes having the first peak pore diameter function as a gas diffusion path, and the holes having the second peak pore diameter function as a water discharge path.
図7は、一方のガス拡散層GDL−Aのマクロ層の断面を模式的に示す図である。一方のガス拡散層GDL−Aでは、カーボン繊維CFの間に、図中に太い矢印で示す水の排出パスと、図中に細い矢印で示すガスの拡散パスが夫々独立して存在している。このため、水の排出パスに水が流れていても、すなわち排出パスに水が滞留していても、ガスはガスの拡散パスを経由して触媒の反応サイトに拡散することができる。これが、図5に示す結果、すなわち、一方のガス拡散層GDL−Aでは内部に水が滞留してもフラッディング現象が発生しない理由である。 FIG. 7 is a diagram schematically showing a cross section of the macro layer of one gas diffusion layer GDL-A. In one gas diffusion layer GDL-A, a water discharge path indicated by a thick arrow in the figure and a gas diffusion path indicated by a thin arrow in the figure exist independently between the carbon fibers CF. . For this reason, even if water is flowing in the water discharge path, that is, water is staying in the discharge path, the gas can diffuse to the reaction site of the catalyst via the gas diffusion path. This is the result shown in FIG. 5, that is, in one gas diffusion layer GDL-A, the flooding phenomenon does not occur even if water stays inside.
このように、一方のガス拡散層GDL−Aは、その空孔のポア径の分布により、水の排出パスとガスの拡散パスの両方を独立して有しているため、フラッディング現象を防止しつつ、ガスの拡散性を充分に備えたものとなっている。 As described above, one gas diffusion layer GDL-A has both a water discharge path and a gas diffusion path independently due to the pore diameter distribution of the pores, thereby preventing the flooding phenomenon. However, it has sufficient gas diffusivity.
そこで、本発明では、図2に示す燃料極側及び空気極側のガス拡散層6,3が、空孔のポア径の分布として、水の排出パスとなるポア径の第1ピークと、ガスの拡散パスとなるポア径の第2ピークを有するものとしており、より具体的には、上記の一方のガス拡散層GDL−Aと同様に、5μm〜50μmの間に第1ピークを有すると共に、100μm及びその近傍の範囲に第2ピークを有するものとしている。
Therefore, in the present invention, the
これにより、燃料極側及び空気極側のガス拡散層6,3では、排水性とガスの拡散性の両方が個別に確保され、内部に水が滞留した場合でも、その水が主に排水パスに滞留して拡散パスが確保されるので、フラッディング現象を防止しつつ、ガスの拡散性を充分に確保しすることができる。
As a result, in the
また、上記のガス拡散層6,3を用いた固体高分子型燃料電池1は、フラッディング現象が生じることもなく、良好な電池性能を維持し得るものとなる。
Further, the polymer
なお、図4〜図6では、カーボンクロスを用いた一方のガス拡散層GDL−Aと、カーボンペーパを用いた他方のガス拡散層GDL−Bを例示し、一方のガス拡散層GDL−Aが本発明で規定するポア径の分布を有するものとして説明したが、カーボンクロスに限らず、カーボンペーパやそれ以外のものを用いたガス拡散層であっても、上記のポア径分布を有するものであれば当然適用可能であり、同様の効果を得ることができる。 4 to 6 exemplify one gas diffusion layer GDL-A using carbon cloth and the other gas diffusion layer GDL-B using carbon paper, and one gas diffusion layer GDL-A includes Although it has been described as having a pore size distribution defined in the present invention, not only carbon cloth but also a gas diffusion layer using carbon paper or other materials has the above pore size distribution. Of course, it can be applied if it exists, and the same effect can be obtained.
図8は、本発明の他の実施例のガス拡散層におけるポア径分布を示すグラフである。0.1μmの近傍に見られるポア径のピークはマイクロ層によるものである。ガス拡散層の基材であるマクロ層について見ると、ポア径のピークは1箇所だけであり、そのピークは5μmの近傍から100μmを超える範囲にわたって広く存在している。 FIG. 8 is a graph showing the pore size distribution in the gas diffusion layer of another embodiment of the present invention. The peak of the pore diameter seen in the vicinity of 0.1 μm is due to the microlayer. Looking at the macro layer which is the base material of the gas diffusion layer, there is only one peak of the pore diameter, and the peak is widely present in the range from near 5 μm to over 100 μm.
図9は、図8に示すポア径分布を有する実施例のガス拡散層GDL−Cと、図4〜図6で説明した他方のガス拡散層GDL−Bについて、中性子線可視化手法を用いて測定した電池内の水分量を示すグラフである。図9によれば、実施例のガス拡散層GDL−Cは、他方のガス拡散層GDL−Bに比べて、電池内の水分量が多く、内部に水が滞留し易いことが判る。 FIG. 9 shows the measurement of the gas diffusion layer GDL-C of the example having the pore size distribution shown in FIG. 8 and the other gas diffusion layer GDL-B described in FIGS. It is a graph which shows the moisture content in a battery. According to FIG. 9, it can be seen that the gas diffusion layer GDL-C of the example has a larger amount of moisture in the battery than the other gas diffusion layer GDL-B, and water tends to stay inside.
図10は、上記二種類のガス拡散層の発電性能を示すグラフである。図10によれば、他方のガス拡散層GDL−Bは、電流密度が増加するとフラッディング現象が発生し、電圧(セル電圧)が低下する。これに対して、実施例のガス拡散層GDL−Cは、他方のガス拡散層GDL−Bに比べると、電流密度を増加させてもフラッディング現象が発生し難いことが判る。 FIG. 10 is a graph showing the power generation performance of the two types of gas diffusion layers. According to FIG. 10, in the other gas diffusion layer GDL-B, when the current density increases, a flooding phenomenon occurs and the voltage (cell voltage) decreases. On the other hand, it can be seen that the gas diffusion layer GDL-C of the example hardly causes the flooding phenomenon even when the current density is increased as compared with the other gas diffusion layer GDL-B.
このように、実施例のガス拡散層GDL−Cは、空孔のポア径のピークが1箇所だけとなっているものの、その広いポア径の存在領域によって、水の排出パスとガスの拡散パスの両方を確保したものとなっている。 Thus, although the gas diffusion layer GDL-C of the example has only one peak of the pore diameter, the water discharge path and the gas diffusion path depend on the existence area of the wide pore diameter. Both are secured.
そこで、上記の実施例のガス拡散層GDL−Cと同様に、例えば図2に示す燃料極側及び空気極側のガス拡散層6,3について、ポア径の分布が、5μmの近傍から100μmを超える範囲、より好ましくは5μm〜100μmの間に、水の排出パスとなるポア径のピークと、ガスの拡散パスとなるポア径のピークを併せ持つものとする。
Therefore, in the same manner as the gas diffusion layer GDL-C in the above embodiment, for example, the pore size distribution of the
これにより、燃料極側及び空気極側のガス拡散層6,3では、排水性とガスの拡散性の両方が個別に確保され、内部に水が滞留した場合でも、その水が主に排水パスに滞留して拡散パスが確保されるので、フラッディング現象を防止しつつ、ガスの拡散性を充分に確保しすることができる。
As a result, in the
1 燃料電池
2 膜・電極接合体(電解質層・触媒層)
3 空気極側ガス拡散層
6 燃料極側ガス拡散層
GDL−A ガス拡散層
GDL−B ガス拡散層
GDL−C ガス拡散層
1
3 Air electrode side
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