JP2007234524A - Fuel cell, gas diffusion layer for fuel cell and its manufacturing method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料電池および燃料電池用ガス拡散層並びにその製造方法に関し、特に、ガス透過性および水排出性の向上に好適な燃料電池および燃料電池用ガス拡散層並びにその製造方法に関するものである。 The present invention relates to a fuel cell, a gas diffusion layer for a fuel cell, and a method for producing the same, and more particularly to a fuel cell suitable for improving gas permeability and water discharge performance, a gas diffusion layer for a fuel cell, and a method for producing the same. .
従来からガス透過性および水排出性を向上させるためにガス拡散層を構成する材料に親水性材料および/または撥水性素材を含ませたガス拡散層が提案されている(特許文献1、2参照)。 Conventionally, gas diffusion layers in which a hydrophilic material and / or a water-repellent material are included in a material constituting the gas diffusion layer in order to improve gas permeability and water discharge properties have been proposed (see Patent Documents 1 and 2). ).
特許文献1では、燃料電池用電極のガス拡散層を、親水性炭素繊維からなる第1の繊維束を経糸とし、撥水性炭素繊維からなる第2の繊維束を緯糸として互いに交差するように織り込まれた織布から構成して、電極触媒層で生成した水蒸気や水を燃料電池の容器外へと速やかに移動可能とし、かつ燃料ガスや酸素含有ガスに対して充分な拡散能をえることを意図している。 In Patent Document 1, the gas diffusion layer of the fuel cell electrode is woven so as to intersect each other with the first fiber bundle made of hydrophilic carbon fiber as the warp and the second fiber bundle made of water-repellent carbon fiber as the weft. Made of woven fabric, which allows the water vapor and water generated in the electrode catalyst layer to move quickly out of the container of the fuel cell and provides sufficient diffusion capacity for the fuel gas and oxygen-containing gas. Intended.
特許文献2では、耐熱性および耐酸性を有する網状シートと、この網状シートの空隙部を充填する導電性粉末と撥水性充填剤との混合物からガス拡散層を形成することで、ガス透過性、撥水性などに優れ且つ機械的強度にも優れることを意図している。
しかしながら、上記各従来例では、親水性素材および/または撥水性素材が織込まれたり混合されたりするものであるため、これらが必ずしもガス拡散層の厚さ方向に配列されたものとならず、表面側と裏面側との間のガスおよび水の移動が充分とはならない課題があった。 However, in each of the above conventional examples, since the hydrophilic material and / or the water repellent material is woven or mixed, these are not necessarily arranged in the thickness direction of the gas diffusion layer, There was a problem that the movement of gas and water between the front surface side and the back surface side was not sufficient.
そこで本発明は、上記問題点に鑑みてなされたもので、ガス透過性および水排出性の向上に好適な燃料電池および燃料電池用ガス拡散層並びにその製造方法を提供することを目的とする。 Therefore, the present invention has been made in view of the above problems, and an object thereof is to provide a fuel cell, a gas diffusion layer for a fuel cell, and a method for manufacturing the same suitable for improving gas permeability and water discharge.
本発明は、電解質膜の両面に夫々の極の触媒層を配置し、さらに夫々ガス拡散層を介在させて両面からセパレータで挟持して備える燃料電池の前記ガス拡散層の少なくとも一つに用いる燃料電池用ガス拡散層を、ガス拡散層の基材よりも親水性の高い繊維状部材を前記基材の厚さ方向に貫通させて複数内蔵して備えるように構成した。 The present invention provides a fuel for use in at least one of the gas diffusion layers of a fuel cell in which catalyst layers of the respective electrodes are arranged on both surfaces of an electrolyte membrane, and each gas diffusion layer is interposed and sandwiched by separators from both surfaces. The battery gas diffusion layer is configured to include a plurality of fibrous members that are more hydrophilic than the base material of the gas diffusion layer so as to penetrate in the thickness direction of the base material.
したがって、本発明では、燃料電池用ガス拡散層を、ガス拡散層の基材よりも親水性の高い繊維状部材を前記基材の厚さ方向に貫通させて複数内蔵して備えるように構成したため、拡散層内の液滴を集めてガス拡散層からの水の排出を促進することができる一方、ガス拡散層内の液滴が集められることにより、結果としてガスの拡散経路を確保することができ、ガス透過性および水排出性を向上させることができる。 Therefore, in the present invention, the fuel cell gas diffusion layer is configured to include a plurality of fibrous members that are more hydrophilic than the base material of the gas diffusion layer and penetrate in the thickness direction of the base material. The liquid droplets in the diffusion layer can be collected to promote the discharge of water from the gas diffusion layer, while the liquid droplets in the gas diffusion layer can be collected, thereby ensuring a gas diffusion path. Gas permeability and water discharge performance can be improved.
以下、本発明の燃料電池および燃料電池用ガス拡散層並びにその製造方法の一実施形態を図面に基づいて説明する。図1は本発明を適用した燃料電池用ガス拡散層の第1実施例を適用した燃料電池セルの概略図、図2は燃料電池用ガス拡散層の第2実施例を示す断面図、図3は燃料電池用ガス拡散層の第3実施例を示す平面図である。 Hereinafter, an embodiment of a fuel cell, a gas diffusion layer for a fuel cell, and a manufacturing method thereof according to the present invention will be described with reference to the drawings. 1 is a schematic view of a fuel cell to which a first embodiment of a gas diffusion layer for a fuel cell to which the present invention is applied, FIG. 2 is a sectional view showing a second embodiment of the gas diffusion layer for a fuel cell, FIG. These are top views which show the 3rd Example of the gas diffusion layer for fuel cells.
図1に示すように、燃料電池セル1は、電解質膜2の反応領域の両面に夫々の極の触媒層3を配置して電解質膜電極積層体を構成し、この電解質膜電極積層体を挟持するように夫々の極のガス拡散層4を配置する一方、電解質膜2の反応領域を囲む周辺領域に図示しないガスケットを配置し、これらをセパレータ5で挟持することにより構成される。
As shown in FIG. 1, the fuel cell 1 includes an electrolyte membrane electrode stack by disposing the
前記燃料電池セル1は、直列に積層され、積層方向の両端に図示しないエンドプレートを配置して、図示しないタイロッドにより積層方向に荷重を加えて固定することにより、積層されている燃料電池セル1に所定の締め付け荷重を付与して燃料電池スタックに構成される。燃料電池搭載自動車へ搭載する燃料電池スタックは、単位ユニットとする燃料電池セル1を、例えば、300〜400個、直列に積層して構成される。 The fuel cells 1 are stacked in series, end plates (not shown) are arranged at both ends in the stacking direction, and the fuel cells 1 are stacked by fixing by applying a load in the stacking direction with a tie rod (not shown). A predetermined tightening load is applied to the fuel cell stack. A fuel cell stack to be mounted on a fuel cell vehicle is configured by stacking, for example, 300 to 400 fuel cell cells 1 as a unit unit in series.
前記セパレータ5は、夫々ガス拡散層4と接する面側には、アノードガスとしての例えば、水素(若しくは、カソードガスとしての例えば、空気)を入口マニホールドから導入してガス拡散層4に供給し且つ反応に利用されなかったガスを出口マニホールドに排出するガス流路6が形成されている。
Each of the
また、前記セパレータ5の背面側は、スタック温調用の流体が入口マニホールドから出口マニホールドに向かって流れる流路7が形成されている図中の左側に示す形式のものと、図示しないが隣接する燃料電池セルのセパレータと兼用されて隣接する燃料電池セルのアノードガス若しくはカソードガス供給・排出のためのガス流路が形成されている形式のものと、図中の右側に記載しているように、平面に形成される形式のものとのいずれかが必要に応じて選択され積層される。
The back side of the
前記ガス拡散層4は、一般的に50〜500[μm]の微細な孔を無数に備える多孔質材料、例えば、カーボンファイバーにより構成されたカーボンペーパや同じくカーボン繊維で構成されたカーボンクロス並びにカーボン不織布等、更には、金属により構成されたペーパ状の多孔質シート等により構成される。このガス拡散層4は、セパレータ5よりの供給ガスを触媒層3へ拡散供給する機能と、化学反応で発生する水の排出を行う機能を備えることが要求される役割の一つである。従って、発電条件によっては前記機能が低下すると、排水性能が低下するに連れてガス拡散性が低下して、発電性能の低下に繋がる。
The
本実施形態におけるガス拡散層4の第1実施例においては、親水性を有する複数の繊維部材10をガス拡散層4内の厚さ方向に貫通させて配置する構成としている。前記繊維部材10は、その素材自身がガス拡散層4の基材よりも親水性を有する繊維状部材、例えば、繊維部材10が親水性樹脂もしくは基材表面に親水性樹脂を主成分とする表面処理(親水化処理)が施されているもの、表層が酸化されている金属、若しくは、親水性樹脂を主成分とする表面処理が施されている金属、表層を親水化改質してあるカーボン若しくは親水性を示すコーティングがなされているカーボンやカーボンファイバー等を挙げることができる。
In the first example of the
このように、親水性を備えた複数の繊維部材10をガス拡散層4内の厚さ方向に貫通させて配置することにより、拡散層4内の液滴を集めてガス拡散層4からの水の排出を促進することができる一方、ガス拡散層4内の液滴が集められることにより、結果としてガスの拡散経路を確保することができる。即ち、繊維部材10をガス拡散層4内部の厚さ方向に、ガス拡散層4の基材よりも親水性を有する繊維状部材10が配置されていることにより、ガスならびに液滴のガス拡散層4内の厚さ方向における移動を改善および制御できる。
In this way, by disposing the plurality of
前記繊維部材10を親水性樹脂もしくは基材表面に親水性樹脂を主成分とする表面処理が施されていることにより、親水部材は必ずしも電気的な導通性を持つ必要は無く、親水性部材若しくは基材表面を親水化処理した繊維状部材で実施できる。少なくとも、ガス拡散層4より親水性を保持するものであれば、拡散層4内の液滴を集めることができ、結果としてガスの拡散経路を確保することができる。
Since the
前記繊維部材10を金属で形成してもよい。この場合には、表層が酸化されているか、若しくは、親水性樹脂を主成分とする表面処理が施されているようにする。燃料電池作動環境下ともで耐食性を有しており、且つ表面が酸化もしくは親水性樹脂によるコートがされていることで、拡散層4内の液滴を集めることができ、結果としてガスの拡散経路を確保することができる。更に、繊維部材10が電気的な導通性を持っていることで、拡散層4の厚さ方向の電気抵抗も下げることができる。
The
前記繊維部材10をカーボンで形成してもよい。この場合には、表層を親水化改質してあるか若しくは親水性を示すコーティングがなされているようにする。特に、カーボンファイバーな等を使用すると、電気的な導通性も図ることができる。この場合、ガス拡散層4を構成する基材もカーボンであるため、表層の酸化や親水性官能基による修飾によって親水化を図るか、親水性樹脂の全体コート若しくは部分コートで効果を上げることができる。
The
また、燃料電池の作動条件によってセル内の腐食環境が異なると考えられるが、セル内の水量が少なめで、相対的に酸性度が高い条件下で発電を行うことが多い場合には、前記繊維部材10をガラスやセラミックスで形成してもよい。
In addition, although it is considered that the corrosive environment in the cell varies depending on the operating conditions of the fuel cell, when the amount of water in the cell is small and power generation is often performed under relatively high acidity, the fiber The
以上に示した各繊維状部材10の表層に、微小溝を繊維の長手方向に連ねて形成することにより、毛細管現象によっても水の移動性をより一層向上させることができる。
By forming minute grooves in the surface layer of each of the
前記繊維部材10は、ガス拡散層4の触媒層3と接する一方の表面より露出されることなく、ガス拡散層4内部に留まった位置にその一端部を位置させて配置し、燃料電池セル1として触媒層3および電解質膜2と積層した際に、繊維部材10の端部によって電解質膜2を傷付けないようにする。
The
前記一端部のガス拡散層4の表面からの引込み寸法は、燃料電池スタックとして燃料電池セル1を積層してスタックとしての圧縮荷重が加えられた際に、ガス拡散層4が積層方向に圧縮変形されることを見越して、前記圧縮荷重を若干超える荷重が加えられた際のガス拡散層4の変形によっても、繊維部材10の前記一端部がガス拡散層4の一方の表面から突き出ない寸法に設定される。これらの考慮は、柔軟性のある変形しやすい繊維部材10については、さほど考慮する必要はないが、特に、繊維部材10の材質が硬い材質の繊維である場合ほど必要となる。
The pull-in dimension from the surface of the
前記繊維部材10の他端部は、ガス拡散層4の他方の表面に露出させ、特に望ましくは、セパレータ5のガス流路6に面する表面に露出させ且つ積極的に突出させて配置する。これは、親水性を示す繊維部材10に沿って液滴がセパレータ5のガス流路6へ移動するのを促進できる効果のためである。特に、繊維部材10をガス流路6のガス流れ方向に対して、垂直若しくは下流側に向かって傾斜をつけるように突出させて配置することにより、親水性の繊維部材10に沿って集まった液滴を、ガス流れに従って容易に蒸発・飛散させることができる。
The other end portion of the
前記繊維部材10のガス拡散層4への配列密度は、ガス拡散層4内において繊維部材10が液滴を集められる範囲を目安に均等な密度で配列してもよいが、燃料電池セル1の運転状態において発生する液滴量の分布に応じた密度分布で配列することが望ましい。例えば、アノード側に配置されるガス拡散層4への繊維部材10の配列密度よりも、カソード側に配置されるガス拡散層4への繊維部材10の配列密度を高くして、カソード側面で発生する電気化学生成水の排水性能を増加させて、ガス拡散層4内の水詰まりによる発電性能低下を抑制するようにする。
The arrangement density of the
また、同じガス拡散層4内においても、その液滴分布を考慮して、ガス流れ方向に対して下流側であるほど(特に、カソード側)、加湿水ならびに反応生成水のため液滴量が多くなるため、それに合せて繊維部材10の配列密度を増すことで、排水性を向上させることができる。
Also, in the same
また、前記ガス拡散層4と向かい合うセパレータ5においても、その材質を金属製としてもその腐食を抑制することができる。これは、金属セパレータ5の腐食の原因となる可能性がある電解質膜2とセパレータ5とが繋がった微小な高酸性の液滴のパスが拡散層4内で形成されることを抑制する、即ち、前記液滴のパスが生じ難くなる。
Further, even in the
本実施形態におけるガス拡散層の第2実施例においては、図2に示すように、親水性を有する複数の繊維部材10をガス拡散層4内の厚さ方向に貫通させて斜めに配置する構成としている。この実施例における繊維部材10は、セパレータ5の隣接する流路6間に配列されたリブ8と重なる領域から流路6に開放された領域に向かって傾斜させて配置している。
In the second example of the gas diffusion layer in the present embodiment, as shown in FIG. 2, a configuration in which a plurality of
これは、ガス拡散層4中の液滴が排出させ難い前記リブ8と重なる領域に発生する液滴を傾斜配置した繊維部材10により、流路6に開放された比較的液滴の排出し易い領域へ積極的に移動させて流路6に排出させるものであり、これにより親水性を示す繊維部材10に沿って液滴がセパレータ流路6へ移動するのを促進でき、ガス拡散層4中の液滴排出性を向上させることができる。
This is because the droplets generated in the region overlapping the
前記繊維部材10は、その端部をセパレータ5のガス流路6に積極的に突出した配置とすることで、親水性を示す繊維部材10に沿って液滴がセパレータ5のガス流路6へ移動するのを促進できる。そして、セパレータ5のリブ8上からセパレータ5の流路6上への水移動によりフラディングを防止することができる。
The
本実施形態におけるガス拡散層の第3実施例においては、図3に示すように、第2実施例に示すガス拡散層4内の厚さ方向に貫通させて斜めに配置する親水性を有する複数の繊維部材10を、更に、ガス流れ方向に対して、垂直若しくは下流側に向かって傾斜をつけるように配置する構成としている。これによって、親水性の繊維部材10に沿って集まった液滴は、ガス流路6のガス流れ(図中の矢印参照)に従って容易に蒸発・飛散することができる。即ち、ガス流れ方向に対して傾斜をつけることで、ガス流れを利用して繊維部材10上の水移動を効果的に行うことができる。
In the third example of the gas diffusion layer in the present embodiment, as shown in FIG. 3, a plurality of hydrophilic layers that are arranged obliquely through the
また、本実施例においては、ガス拡散層4面内における繊維部材10の配置密度は、セル1中の液滴分布を考慮して、ガス流れ方向に対して下流側であるほど高くなるよう配置数配分を変化させている。ガス流れの下流ほどガス拡散層4内への液滴の滞留が発生しやすいため、その水分布に合せて下流側への配置数を増やすことで排水性を向上させることができる。特に、カソード側下流域では加湿水ならびに反応生成水のため液滴量が多くなるため、それに合せて繊維部材10の配置数を増すことで、排水性を向上させるようにする。
Further, in this embodiment, the arrangement density of the
本実施形態の燃料電池用ガス拡散層においては、以下に記載する効果を奏することができる。 In the fuel cell gas diffusion layer of the present embodiment, the following effects can be obtained.
(ア)電解質膜2の両面に夫々の極の触媒層3を配置し、さらに夫々ガス拡散層4を介在させて両面からセパレータ5で挟持して備える燃料電池の前記ガス拡散層4の少なくとも一つに用いる燃料電池用ガス拡散層4を、ガス拡散層4の基材よりも親水性の高い繊維状部材10を前記基材の厚さ方向に貫通させて複数内蔵して備えるように構成したため、拡散層4内の液滴を集めてガス拡散層4からの水の排出を促進することができる一方、ガス拡散層4内の液滴が集められることにより、結果としてガスの拡散経路を確保することができ、ガス透過性および水排出性を向上させることができる。
(A) At least one of the
(イ)繊維状部材10を、親水性樹脂若しくは親水性樹脂を主成分とする表面処理が基材表面に施されている樹脂部材10により形成することにより、親水性部材はガス拡散層4の一つの要件である電気的な導通性を必ずしも持つ必要は無く、親水性樹脂若しくは表面を親水化処理した樹脂部材で実施できる。少なくとも、ガス拡散層4より親水性を保持すると、拡散層4内の液滴を集めることができ、結果としてガスの拡散経路を確保できる。
(A) By forming the
(ウ)繊維状部材10を、表層が酸化されているか若しくは親水性樹脂を主成分とする表面処理が施されている金属により形成することにより、燃料電池作動環境下ともで耐食性を有しており且つ表面が酸化もしくは親水性樹脂によるコートがされていることで、上記(イ)の効果を発揮できる。更に、繊維状部材10が電気的導通性を持っていることで、ガス拡散層4の厚さ方向の電気抵抗も下げることができる。
(C) By forming the
(エ)繊維状部材10は、表層を親水化改質してあるか若しくは親水性を示すコーティングがなされているカーボン、例えば、カーボンファイバー等により形成することにより、ガス拡散層4の電気的導通性を向上できる。なお、ガス拡散層4を構成する基材もカーボンであるため、表層の酸化や親水性官能基による修飾によって親水化を図るか、親水性樹脂の全体もしくは部分コートで効果を上げることができる。
(D) The electrical conduction of the
(オ)繊維状部材10の表層に繊維の長手方向に連ねて微小溝を備えるようにすると、毛細管現象によっても水の移動性をより一層向上させることができる。
(E) If the surface layer of the
(カ)繊維状部材10を、燃料電池セル1のアノード側に配置されるガス拡散層4に内蔵させる配置密度よりもカソード側に配置されるガス拡散層4に内蔵させる配置密度を高くすることにより、ガス流れの上下流によらずカソード側面では電気化学生成水が発生するため、アノード側よりカソード側への配置密度を増やすことで、ガス拡散層4内の水詰まりによる発電性能低下の発生を抑制できる。
(F) The arrangement density of incorporating the
(キ)ガス拡散層4と向かい合うセパレータ5は金属製で構成しても、金属セパレータ5の腐食の原因となる可能性がある電解質膜2とセパレータ5とが繋がった微小な高酸性の液滴のパスが拡散層4内で形成されることを抑制する、即ち、前記液滴のパスが生じ難くなり、金属セパレータ5の腐食を抑制することができる。
(G) Even if the
(ク)繊維状部材10を、セパレータ5に形成したガス流路6間に配列されたリブ8に重なる領域の触媒層3に接触する一方の表面側からガス流路6に重なる領域のセパレータ5に接する他方の表面に向けて傾斜して配置することにより、セパレータ5のリブ8上からセパレータ5の流路6上への水移動によりフラディングを防止できる。
(H) The
(ケ)繊維状部材10のセパレータ5側の端部は、ガス拡散層4のセパレータ5側の他方の表面から突出してガス流路に露出していることにより、親水性の繊維部材10に沿って集まった液滴は、ガス流路6のガスにより容易に蒸発・飛散させることができる。
(E) The end of the
(コ)繊維状部材10は、セパレータ5側の端部がセパレータ5のガス流路6の下流側に向かうよう傾斜させて配置すると、ガス流れによる動圧を利用して繊維部材10上の水移動を効果的に行うことができる。
(E) When the
(サ)繊維状部材10は、ガス拡散層4の面内においてセパレータ5のガス流路6を流れるガス流れ方向に対して下流側であるほどその配置密度が高くなるよう配置されていることにより、ガス流れの下流ほどガス拡散層4内への液滴の滞留が発生しやすいため、下流側への配置数を増やすことで排水性を向上させることができる。
(Sa) The
以上の構成になる燃料電池用セパレータの製造方法について、図4〜図13に基づいてその以下に説明する。ここでは、図4〜図8に基づき製造方法の概略を説明し、図9〜図13に基づいて具体的な製造方法について説明する。 A method for manufacturing the fuel cell separator having the above-described configuration will be described below with reference to FIGS. Here, an outline of the manufacturing method will be described based on FIGS. 4 to 8, and a specific manufacturing method will be described based on FIGS. 9 to 13.
先ず製造方法の概略は、図4に示すように、繊維部材10の先端をガス拡散層4の触媒層3に接する一方の面12A(図中の上方の面)側よりガス拡散層4内に差込み、その先端をガス拡散層4を貫通させてセパレータ5に接触される他方の面12B(図中の下方の面)から突出させる。ガス拡散層4を貫通させる際には、貫通部位の周囲の拡散層4にできるだけ影響を及ぼさないように、繊維部材10の先端はガス拡散層4への貫通性の良い針等に固定されて、針によって貫通させることが望ましい。
First, the outline of the manufacturing method is as shown in FIG. The tip is inserted through the
次に、図5に示すように、貫通させた繊維部材10の一方の面側から露出した部分を切り離して切断端部13を形成する。そして、図6に示すように、繊維部材10の先端を前方(図中下方)へ引くことで前記切断端部13をガス拡散層4の内部に引入れる。更に、図7に示すように、貫通した繊維部材10の先端側をガス拡散層4の他方の面(図中下方の面)から所定の長さだけ突出した切断部位14で切断する。以上の過程により、多数の繊維部材10を所定の分布比率に基づいて拡散層4に配置することで製作することができる。
Next, as shown in FIG. 5, a
前記後者の切断端部14は、拡散層4表層もしくは拡散層4から突き出ているため、燃料電池セル1として組立の際は、図7に示すように、最初に切断した切断端部13が拡散層4内に引き込められた一方の面12A側に触媒層3および電解質膜2が配置されるようにする。即ち、繊維端部13が拡散層から出ていると、燃料電池セル1としての組立時に電解質膜2に繊維部材10の切断端部13が突き刺さり、電解質膜2の破損に繋がる可能性があるためである。これは、繊維の材質にもよるが、硬い材質の繊維である場合ほど、図7に示す配置とする必要性が高い。
Since the latter
燃料電池スタックでは、構成部材である単位ユニットセル(燃料電池セル1)を複数枚積層し、これらを圧縮して使用する場合が殆どである。この圧縮の際に、多孔質のガス拡散層4は前記荷重によって圧縮される。繊維部材10が配置された状態で圧縮されたガス拡散層4の一方の表面から繊維部材10の切断端部13が電解質膜2側に出る可能性がある。
In a fuel cell stack, in most cases, a plurality of unit unit cells (fuel cell 1), which are constituent members, are stacked and used after being compressed. During this compression, the porous
そこで、繊維部材10の両端を切断した後の組立前に、図8に示すように、事前圧縮を行い、繊維部材10の切断端部13が、一方の面12Aの表面より上に出ないようにすることができる。即ち、図8では、ガス拡散層4の両面にプレート30を配置し、プレート30によりガス拡散層4を、前記スタックとして形成する荷重以上の荷重を加えて圧縮することで、繊維部材10の切断端部13を一方の面12A内に留めるようにする。
Therefore, before assembly after cutting both ends of the
この場合に、繊維部材10が突出している図中の下方の端部14がプレート30によりガス拡散層4内に押込められないように、下方のプレート30には、図示したように、穴が設けられていることが望ましい。この穴は、ガス拡散層4に内蔵させる繊維部材10の数量分をその該当箇所に夫々設ける必要があり、下方のプレート30はメッシュ構造に形成することが望ましい。
In this case, the
前記ガス拡散層4の事前圧縮は、繊維部材10を拡散層4に配置する毎に配置した部位に対して行うか、全ての繊維部材10の拡散層4への配置が完了した段階で拡散層4全体に対して行うこともできる。また、ガス拡散層4の一面12Aから裏面12Bへ繊維状部材10を貫通させた後、ガス拡散層4の一方の表面部12Aにおいて繊維部材10を切断し、ガス拡散層4のもう一方の面側の繊維を引くことで、切断した繊維部材10の端部13をガス拡散層4内部に移動させた後に、一定の荷重をかけてガス拡散層4を圧縮し、その後に他方の面12B側から突出している繊維部材10を切断するようにしてもよい。即ち、他方を切断する前に、燃料電池スタックに掛ける面圧以上で加圧することで、実際の電池スタックの組立時に切断端部13が拡散層4の一方の面から出ることを抑制できる。この事前圧縮は、スタックの組立に必要な全てのガス拡散層4若しくはある一定数量毎のバッチ処理で実施しても構わない。
The pre-compression of the
図9は燃料電池用セパレータの具体的な組立工程図であり、図10はワークテーブルを含む組立装置の概略図、図11はガス拡散層のX−Y座標を示す概略図、図12はワークテーブルを含むガス拡散層への繊維部材配置方法ならびに圧縮方法の概略図、図13はガス拡散層の荷重-厚さ関係特性を示す特性図である。 9 is a specific assembly process diagram of the fuel cell separator, FIG. 10 is a schematic view of an assembly apparatus including a work table, FIG. 11 is a schematic view showing XY coordinates of the gas diffusion layer, and FIG. FIG. 13 is a characteristic diagram showing a load-thickness relationship characteristic of a gas diffusion layer, and FIG. 13 is a schematic diagram of a fiber member arrangement method and a compression method in a gas diffusion layer including a table.
図10に示すように、ワークテーブル31には、繊維部材10を通過させる無数の貫通穴32が配列されている(図示例では、一個の貫通穴32のみが示されている)。この無数の貫通穴32は、ワークテーブル31をメッシュ状部材で形成することによって形成してもよい。また、ワークテーブル31の上方には、配置されるガス拡散層4の上側表面12Aより若干上方において、繊維部材10を切断する、例えば、レーザビーム発射装置33が配置され、また、図示しないが、繊維部材10を繰出してガス拡散層4に突き入れる繊維部材繰出し手段34が配置されている。
As shown in FIG. 10, innumerable through
また、ワークテーブル31の上方には、図12に示すように、ガス拡散層4を圧縮するプレス手段35を配置している。ワークテーブル31の下方には、ガス拡散層4を貫通し、貫通穴32を通過した繊維部材10の先端を保持する保持手段36が配置され、ワークテーブル31と同一平面には、同じく繊維部材10を切断する、例えば、レーザビーム発射装置37が配置されている。
Further, as shown in FIG. 12, a press means 35 for compressing the
図9に示す工程図において、先ず、ステップ1では、ワークテーブル31上へガス拡散層4を位置決めして配置する。
In the process diagram shown in FIG. 9, first, in step 1, the
ステップ2では、図11に示すように、ガス拡散層4のX−Y座標上において、繊維部材10を配列する座標位置を夫々の繊維部材10毎に設定する。このステップ2は予め設定しておくことができる。
In
ステップ3では、ガス拡散層4の予め設定した座標位置に繊維部材繰出し手段34により繊維部材10をガス拡散層4の上面12Aから先端を突き入れ、ガス拡散層4を貫通させ、ワークテーブル31の貫通穴32を通過させてワークテーブル31下方に突出させる。この場合に、図では繊維部材10をワークテーブル31に対して垂直に配置しているが、図2または図3に示すように、繊維部材10をワークテーブル31に対して斜めに貫通させることもできる。
In
ステップ4では、貫通してワークテーブル31の下方に突出した繊維部材10の先端部を保持手段36により保持させる。前記保持の際に、保持手段36により繊維部材10を下方に引っ張るように保持すると、後工程であるステップ5での繊維部材10の切断の際に繊維部材10がワークテーブル31の下方向に移動してしまうため、繊維部材10にはテンションを張らないか、若しくは、保持手段36とは反対側(ワークテーブル31上方)からの引張りにより繊維に弛みを持たせないことが重要である。
In
ステップ5では、繊維部材10のガス拡散層4の上面側に連なる部分を切断する。切断方法は、拡散層4表層に沿うようにカッターを移動させて切断させることもでき、また、上記レーザビーム発射装置33よりレーザを照射することでも切断することができる。繊維部材10の切断の際は、ガス拡散層4への繊維部材10の挿入角度によらず、拡散層4の表面12Aと平行になるような切断面にすることが好ましい。なお、切断面が拡散層4の表面と平行でない場合には、繊維部材10の切断縁13により電解質膜2を傷付ける虞れがある。
In
ステップ6では、保持手段36により貫通した繊維部材10を下方に引張り、前記レーザにより切断された切断部位13をガス拡散層4の表面12A直下に引込むようにする。この引込み量は、図13に示すように、予め拡散層4を圧縮した際に潰れる拡散層4の潰れ代値を参考に、引く長さLを設定するのが好ましい。
In
上記のステップ3〜ステップ6を、繊維部材10の投入位置を変更しつつ連続して実行することにより、拡散層4の面上に複数の繊維部材10を配置することができる。この投入位置は、ステップ2で設定したX−Y座標位置に応じてその都度、繊維部材繰出し手段34を位置決めして実行される。また、ワークテーブル31に一本の繊維部材10を配置するよう説明したが、実際には複数の繊維部材10の配置を同時並行して実行するようにしてもよい。このため、レーザビーム発射装置33による切断は、複数の繊維部材10を同時に実施すると、より効率を上げることができる。全ての繊維部材10の拡散層4への配置が完了した段階で、ステップ7へ進む。
A plurality of
ステップ7では、ワークテーブル31の上方に位置するプレス手段35を下降させて、予め設定した所定の荷重でガス拡散層4全体を圧縮する。圧縮することにより、ガス拡散層4を貫通している繊維部材10が圧縮代だけガス拡散層4の下方へ押出される。この状態でガス拡散層4の下方に配置したレーザビーム発射装置37によりワークテーブル31下方に前記ステップ7での押出し量も含めて突出している多数の繊維部材10をレーザで切断する。
In
前記切断は、拡散層4の表層から離れた場所で繊維部材10を切断すると、繊維部材10がぶら下がった状態でセパレータ5と接することとなるため、できるだけ拡散層4の表層に近いところでの切断が望ましい。このためには、ワークテーブル31の上方若しくはワークテーブル31の厚さ方向中央部にレーザビームの通過を許容するスリット空間を形成して、このスリット空間内にレーザビームを発射させることで、下方への繊維部材10の突き出し量を小さくすることができる。
When the
前記下方へ突出している繊維部材10の切断が完了した段階で、ブレス手段35を上昇させると、ガス拡散層4の厚さ寸法が無圧縮状態に復帰し、ガス拡散層4から下方に突出していた繊維部材10がガス拡散層4の前記潰れ代だけガス拡散層4内に引入れられ、ガス拡散層4の製作が完了する。
When the brace means 35 is raised at the stage where the cutting of the
本実施形態の燃料電池用ガス拡散層の製造方法においては、以下に記載する効果を奏することができる。 In the manufacturing method of the fuel cell gas diffusion layer of the present embodiment, the following effects can be obtained.
(シ)電解質膜2の両面に夫々の極の触媒層3を配置し、さらに夫々ガス拡散層4を介在させて両面からセパレータ5で挟持して備える燃料電池の前記ガス拡散層4の製造方法であり、前記ガス拡散層4の基材よりも親水性の高い繊維状部材10を、前記基材の前記触媒層3に対面する一方の面から裏面へ繊維状部材10を貫通させ、一方の面から露出している繊維状部材10を切断して、前記基材の厚さ方向への貫通状態で内蔵させるようにしているため、ガス拡散層4の基材製作時に繊維状部材10を混入させて製作するよりも、ガス拡散層4の必要な場所に且つ確実に厚さ方向に繊維部材10を配置することができる。
(G) A method for producing the
(ス)繊維状部材10は、前記一方の面12Aから露出している繊維状部材10が切断された後に、裏面側から引くことで前記切断した繊維状部材10の端部13をガス拡散層4内部に移動させ、裏面側に露出している繊維状部材10を切断するため、触媒層3に接触される一方の面12A側の端部13をガス拡散層4内部に移動させることができ、繊維状部材10の端部13が拡散層4表層から出ていることによる触媒層3および電解質膜2への傷付きや破損を未然に防止できる。
(Su) After the
(セ)繊維状部材10は、前記一方の面12Aから露出している繊維状部材10が切断された後に、裏面側から引くことで前記切断した繊維状部材10の端部13をガス拡散層4内部に移動させ、予め設定した荷重により厚さ方向にガス拡散層4基材を圧縮し、その圧縮状態において裏面側に露出している繊維状部材10を切断することにより、裏面側の繊維状部材10を切断する前に圧縮・加圧することで、実際の燃料電池スタックの組立時においても、繊維状部材10の端部13がガス拡散層4の一方の表面12Aから突出すことを抑制できる。
(C) After the
(ソ)ガス拡散層4への付与荷重は、燃料電池スタックの組立時に付与する締付け荷重以上とすることにより、実際の燃料電池スタックの組立時における電解質膜2の破損を防止できる。
(G) By making the applied load to the
(タ)最初に繊維状部材10を切断したガス拡散層4の一方の面12A側を触媒層3および電解質膜2と向かい合う面とすることにより、前記最初に切断した繊維状部材10の端部13はガス拡散層4の内部に移動しており、繊維状部材10の端部13が電解質膜2を破損することを抑制できる。
(T) The end portion of the first
1 燃料電池セル
2 電解質膜
3 触媒層
4 ガス拡散層、拡散層
5 セパレータ
6 ガス流路
8 リブ
10 繊維部材、繊維状部材
12A 一方の面
13、14 端部
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1
Claims (17)
前記ガス拡散層の基材よりも親水性の高い繊維状部材を前記基材の厚さ方向に貫通させて複数内蔵して備えることを特徴とする燃料電池用ガス拡散層。 Gas diffusion for a fuel cell used for at least one of the gas diffusion layers of a fuel cell provided with a catalyst layer of each electrode on both surfaces of the electrolyte membrane, and further sandwiched by a separator from both surfaces with a gas diffusion layer interposed therebetween Layer,
A gas diffusion layer for a fuel cell, comprising a plurality of fibrous members that are more hydrophilic than the base material of the gas diffusion layer and are embedded in the thickness direction of the base material.
前記ガス拡散層をその基材よりも親水性の高い繊維状部材を前記基材の厚さ方向への貫通状態で内蔵させて構成したことを特徴とする燃料電池。 In a fuel cell provided with a catalyst layer of each electrode on both surfaces of an electrolyte membrane, and further sandwiched by a separator from both surfaces with a gas diffusion layer interposed,
A fuel cell comprising the gas diffusion layer including a fibrous member having a hydrophilicity higher than that of the base material so as to penetrate in the thickness direction of the base material.
前記ガス拡散層の基材よりも親水性の高い繊維状部材を、前記基材の前記触媒層に対面する一方の面から裏面へ繊維状部材を貫通させ、
一方の面から露出している繊維状部材を切断して、
前記基材の厚さ方向への貫通状態で内蔵させることを特徴とする燃料電池用ガス拡散層の製造方法。 Gas diffusion for a fuel cell used for at least one of the gas diffusion layers of a fuel cell provided with a catalyst layer of each electrode on both surfaces of the electrolyte membrane, and further sandwiched by a separator from both surfaces with a gas diffusion layer interposed therebetween A method for producing a layer, comprising:
The fibrous member having a higher hydrophilicity than the base material of the gas diffusion layer is allowed to penetrate the fibrous member from one surface facing the catalyst layer of the base material to the back surface,
Cut the fibrous member exposed from one side,
A method for producing a gas diffusion layer for a fuel cell, comprising incorporating the base material in a penetrating state in a thickness direction of the base material.
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