JP2008027672A - Conductive porous body and its manufacturing method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、導電性多孔体及びその製造方法に関し、具体的には、フィルターや燃料電池用拡散層等として用いることが可能な、導電性多孔体及びその製造方法に関する。 TECHNICAL FIELD The present invention relates to a conductive porous body and a method for producing the same, and specifically relates to a conductive porous body that can be used as a filter, a diffusion layer for a fuel cell, and the like, and a method for producing the same.
燃料電池は、電解質層(以下、「電解質膜」という。)と、電解質膜の両面側にそれぞれ配設される電極(アノード及びカソード)とを備える膜電極接合体(以下、「MEA(Membrane Electrode Assembly)」と記述することがある。)における電気化学反応により発生した電気エネルギーを、MEAの両側にそれぞれ配設される集電体(例えば、セパレータ)を介して外部に取り出している。燃料電池の中でも、家庭用コージェネレーション・システムや自動車等に使用される固体高分子型燃料電池(以下において、「PEFC(Polymer Electrolyte Fuel Cell)」と記述することがある。)は、低温領域での運転が可能である。また、PEFCは、高いエネルギー変換効率を示し、起動時間が短く、かつシステムが小型軽量であることから、電気自動車や携帯用電源の最適な動力源として注目されている。 A fuel cell has a membrane electrode assembly (hereinafter referred to as “MEA (Membrane Electrode)” comprising an electrolyte layer (hereinafter referred to as “electrolyte membrane”) and electrodes (anode and cathode) respectively disposed on both sides of the electrolyte membrane. The electrical energy generated by the electrochemical reaction in “) is taken out to the outside through current collectors (for example, separators) respectively disposed on both sides of the MEA. Among fuel cells, polymer electrolyte fuel cells (hereinafter sometimes referred to as “PEFC (Polymer Electrolyte Fuel Cell)”) used in household cogeneration systems and automobiles, etc., are used at low temperatures. Is possible. In addition, PEFC has attracted attention as an optimal power source for electric vehicles and portable power sources because of its high energy conversion efficiency, short start-up time, and small and lightweight system.
PEFCの単セルは、含水状態に保たれてプロトン伝導性能を発現する電解質膜と、少なくとも触媒層を備えるカソード及びアノードと、を具備し、その理論起電力は1.23Vである。しかし、かかる低起電力では、電気自動車等の動力源として不十分であるため、通常は、単セルを直列に積層して積層体を形成し、この積層体における積層方向の両端にエンドプレート等を配置して形成されるスタック形態の燃料電池が使用される。そして、接触抵抗を低減する等の観点から、スタック形態の燃料電池の両端側からは、締結圧力(以下、「圧縮圧力」ということがある。)が加えられる。 A single cell of PEFC includes an electrolyte membrane that is maintained in a water-containing state and exhibits proton conduction performance, and a cathode and an anode that include at least a catalyst layer, and has a theoretical electromotive force of 1.23V. However, since such low electromotive force is insufficient as a power source for electric vehicles and the like, usually, a single cell is laminated in series to form a laminated body, and end plates or the like are formed at both ends of the laminated body in the lamination direction. A fuel cell in the form of a stack formed by arranging is used. From the viewpoint of reducing the contact resistance, a fastening pressure (hereinafter sometimes referred to as “compression pressure”) is applied from both ends of the stack type fuel cell.
PEFCの運転時には、アノードに水素含有ガス(以下、「水素」という。)が、カソードに酸素含有ガス(以下、「酸素」という。)が、それぞれ供給される(以下、アノードへ供給される水素とカソードへ供給される酸素とをまとめて「反応ガス」ということがある。)。アノードへと供給された水素は、アノードの触媒層(以下、「アノード触媒層」ということがある。)に含まれる触媒上でプロトンと電子に分離し、水素から生じたプロトンは、アノード触媒層及び電解質膜を通ってカソードの触媒層(以下、「カソード触媒層」ということがある。)へと達する。一方、電子は、外部回路を通ってカソード触媒層へと達し、カソード触媒層へと達したプロトン及び電子と、カソード触媒層へと供給される酸素とが反応することにより、水が生成される。 During operation of the PEFC, a hydrogen-containing gas (hereinafter referred to as “hydrogen”) is supplied to the anode, and an oxygen-containing gas (hereinafter referred to as “oxygen”) is supplied to the cathode (hereinafter, hydrogen supplied to the anode). And oxygen supplied to the cathode may be collectively referred to as “reactive gas”.) The hydrogen supplied to the anode is separated into protons and electrons on the catalyst contained in the catalyst layer of the anode (hereinafter also referred to as “anode catalyst layer”), and the protons generated from the hydrogen are separated from the anode catalyst layer. And reaches the cathode catalyst layer (hereinafter also referred to as “cathode catalyst layer”) through the electrolyte membrane. On the other hand, electrons reach the cathode catalyst layer through an external circuit, and protons and electrons that have reached the cathode catalyst layer react with oxygen supplied to the cathode catalyst layer to generate water. .
一方、多くのPEFCでは、アノード側に備えられるセパレータとアノード触媒層との間、及び/又は、カソード側に備えられるセパレータとカソード触媒層との間に、拡散層が配設され、拡散層の周囲には、樹脂等により構成されるフレーム材が配置される(以下、アノード側に備えられるセパレータとアノード触媒層との間に配設される拡散層を「アノード拡散層」、カソード側に備えられるセパレータとカソード触媒層との間に配設される拡散層を「カソード拡散層」といい、アノード拡散層とカソード拡散層とをまとめて「拡散層」ということがある。)。拡散層が備えられる形態のPEFCによれば、反応ガスを電極へ均一に供給すること、高負荷運転時等にMEAで発生した水を単セル外へ排出する排水性を向上させること、及び、高温時等に電解質膜の保水性を向上させること、等が可能になる。そして、フレーム材により、単セル内の気密性等が保たれている。 On the other hand, in many PEFCs, a diffusion layer is disposed between the separator provided on the anode side and the anode catalyst layer and / or between the separator provided on the cathode side and the cathode catalyst layer. A frame material composed of a resin or the like is arranged around the periphery (hereinafter, a diffusion layer disposed between a separator provided on the anode side and the anode catalyst layer is provided as an “anode diffusion layer” on the cathode side. The diffusion layer disposed between the separator and the cathode catalyst layer is referred to as “cathode diffusion layer”, and the anode diffusion layer and the cathode diffusion layer may be collectively referred to as “diffusion layer”. According to the PEFC in the form in which the diffusion layer is provided, it is possible to uniformly supply the reaction gas to the electrode, to improve the drainage property of discharging water generated in the MEA to the outside of the single cell during high load operation, and the like. It becomes possible to improve the water retention of the electrolyte membrane at high temperatures and the like. And the airtightness etc. in a single cell are maintained with the frame material.
これまでに、燃料電池用拡散層、又は、燃料電池用拡散層として利用可能な織布若しくは基材に関する技術がいくつか開示されてきている。例えば、特許文献1には、メートル番手で16〜120番手の糸繊度の炭素質繊維の糸で主として織成されている織布であって、炭素質繊維の含有量が60重量%以上、目付量が50〜150g/m2、織布厚さが0.05mm〜0.33mmであり、かつ、面方向の体積固有抵抗が0.1Ωcm以下である導電性炭素質繊維織布が開示されている。そして、この導電性炭素質繊維織布は、比較的細い糸を糸相互間の隙間が狭くなるように織った薄手の織布であり、燃料電池のガス拡散層に要求されるガス透過性、水排出性、保水性及び導電性等の諸特性を、高いレベルでバランスよく満足させる、としている。
Heretofore, several techniques relating to a diffusion layer for a fuel cell or a woven fabric or a substrate that can be used as a diffusion layer for a fuel cell have been disclosed. For example,
また、特許文献2及び特許文献3にはガス拡散層に関する技術が、特許文献4には炭素質繊維織布に関する技術が、特許文献5には多孔質炭素電極基材およびその製造方法に関する技術が、それぞれ開示されている。
しかし、特許文献1に開示されている導電性炭素質繊維織布は、織布であるため、経糸と横糸とを織って布にする工程が必要とされ製造工程が複雑化しやすいほか、細孔径を制御し難いという問題があった。また、特許文献2及び特許文献3に開示されているガス拡散層は、いずれも、糸を編んで製造されるため、特許文献1に開示されている導電性炭素質繊維織布と同様に、製造工程が複雑化しやすく、細孔径を制御し難いという問題があった。さらに、特許文献4に開示されている炭素質繊維織布も、織布であるため、製造工程が複雑化しやすく、細孔径を制御し難いという問題があった。加えて、特許文献5に開示されている多孔質炭素電極基材は、少なくとも1200℃まで昇温して焼成する工程が含まれるため、製造時に多量のエネルギーを消費し、製造コストが増加しやすいという問題があった。
However, since the conductive carbon fiber woven fabric disclosed in
そこで本発明は、細孔径の制御が可能であるとともに、製造工程を簡略化して製造コストを低減することが可能な、導電性多孔体及びその製造方法を提供することを第1の課題とする。さらに、本発明の導電性多孔体は、特に、燃料電池用拡散層として好適に使用されるため、製造工程を簡略化して製造コストを低減することが可能な、燃料電池用拡散層及びその製造方法を提供することを第2の課題とする。加えて、製造工程を簡略化して製造コストを低減することが可能な、燃料電池及びその製造方法を提供することを第3の課題とする。 Accordingly, a first object of the present invention is to provide a conductive porous body and a method for manufacturing the same, which can control the pore diameter and can simplify the manufacturing process and reduce the manufacturing cost. . Furthermore, since the conductive porous body of the present invention is particularly suitably used as a fuel cell diffusion layer, the fuel cell diffusion layer capable of simplifying the production process and reducing the production cost and the production thereof Providing a method is a second problem. In addition, a third object is to provide a fuel cell and a method for manufacturing the same that can simplify the manufacturing process and reduce the manufacturing cost.
上記課題を解決するために、本発明は以下の手段をとる。すなわち、
第1の本発明は、少なくとも、複数の第1導電性繊維を平面状に配列して形成される第1繊維群と、複数の第1導電性繊維と交差するように複数の第2導電性繊維を平面状に配列して形成される第2繊維群と、を積層して構成される導電性多孔部と、該導電性多孔部の外縁に備えられて該導電性多孔部を固定する枠体と、を備えることを特徴とする、導電性多孔体である。
In order to solve the above problems, the present invention takes the following means. That is,
The first aspect of the present invention includes at least a first fiber group formed by arranging a plurality of first conductive fibers in a planar shape, and a plurality of second conductive fibers so as to intersect with the plurality of first conductive fibers. A conductive porous portion formed by laminating a second fiber group formed by arranging fibers in a plane, and a frame provided on an outer edge of the conductive porous portion to fix the conductive porous portion A conductive porous body.
ここに、第1導電性繊維及び第2導電性繊維を始めとする、導電性多孔部を構成する導電性繊維(以下、第1導電性繊維や第2導電性繊維に代表される、導電性多孔部を構成する導電性繊維を、単に「導電性繊維」ということがある。)としては、炭素繊維や金属繊維等を例示することができる。さらに、枠体の構成材料としては、現在のPEFCに備えられるフレーム材を構成し得る材料を用いることができ、その具体例としては、シリコーンゴムやフッ素ゴム等を挙げることができる。枠体を構成し得るシリコーンゴムとしては、ビニルメチルシリコーンゴム(VMQ)、フッ素化シリコーンゴム(FVMQ)等を例示することができる。また、枠体を構成し得るフッ素ゴムとしては、フッ化ビニリデン系ゴム(FKM)、テトラフルオロエチレン−プロピレン系ゴム(FEPM)、テトラフルオロエチレン−パープルオロビニルエーテル系ゴム(FFKM)等を例示することができる。加えて、「導電性多孔部の外縁に備えられて導電性多孔部を固定する枠体」とは、導電性多孔部の外縁が枠体によって囲まれ、導電性多孔部と枠体とが一体になるように、導電性多孔部が枠体によって固定されていることを意味する。以下の本発明においても同様である。 Here, the conductive fibers constituting the conductive porous portion including the first conductive fibers and the second conductive fibers (hereinafter referred to as the first conductive fibers and the second conductive fibers are represented by the conductive properties). Examples of the conductive fiber constituting the porous portion may be simply referred to as “conductive fiber”. Carbon, metal fiber, and the like can be exemplified. Furthermore, as a constituent material of the frame, a material that can constitute a frame material provided in the current PEFC can be used, and specific examples thereof include silicone rubber and fluorine rubber. Examples of the silicone rubber that can constitute the frame include vinyl methyl silicone rubber (VMQ) and fluorinated silicone rubber (FVMQ). Examples of the fluororubber that can constitute the frame include vinylidene fluoride rubber (FKM), tetrafluoroethylene-propylene rubber (FEPM), tetrafluoroethylene-purple olovinyl ether rubber (FFKM), and the like. Can do. In addition, the “frame body provided at the outer edge of the conductive porous portion and fixing the conductive porous portion” means that the outer edge of the conductive porous portion is surrounded by the frame body, and the conductive porous portion and the frame body are integrated. This means that the conductive porous part is fixed by the frame. The same applies to the following present invention.
上記第1の本発明において、枠体が、ガスケットとしての機能を兼ね備え、枠体に、凹部が備えられることが好ましい。 In the first aspect of the present invention, it is preferable that the frame has a function as a gasket, and the frame is provided with a recess.
また、上記第1の本発明(変形例を含む。以下同じ。)において、枠体の少なくとも一部に、高剛性物質が備えられることが好ましい。 In the first aspect of the present invention (including modifications, the same applies hereinafter), it is preferable that at least a part of the frame is provided with a highly rigid substance.
ここに、「高剛性物質」とは、枠体の構成材料(枠体に高剛性物質が備えられる場合には、高剛性物質以外の枠体構成材料を意味する。)よりも外力によって変形し難い物質を意味し、「枠体の少なくとも一部に高剛性物質が備えられる」とは、枠体の表面に高剛性物質が備えられる形態のほか、枠体の内部に埋没する形態で高剛性物質が備えられる形態をも含む概念である。以下の本発明においても同様である。 Here, the “high rigidity substance” is deformed by an external force rather than the constituent material of the frame (when the high rigidity substance is provided in the frame, it means a frame constituent material other than the high rigidity substance). It means a difficult substance, and “high rigidity material is provided on at least a part of the frame” means that the surface of the frame is provided with a high rigidity substance and high rigidity in the form of being buried inside the frame. It is a concept that includes forms in which substances are provided. The same applies to the following present invention.
また、上記第1の本発明において、複数の第1導電性繊維が配列される間隔と、複数の第2導電性繊維が配列される間隔とが異なることが好ましい。以下の本発明においても同様である。 In the first aspect of the present invention, it is preferable that the interval at which the plurality of first conductive fibers are arranged is different from the interval at which the plurality of second conductive fibers are arranged. The same applies to the following present invention.
また、上記第1の本発明において、第1導電性繊維の径と、第2導電性繊維の径とが異なることが好ましい。 In the first aspect of the present invention, it is preferable that the diameter of the first conductive fiber is different from the diameter of the second conductive fiber.
第2の本発明は、上記第1の本発明の導電性多孔体を有する燃料電池用拡散層である。 The second aspect of the present invention is a fuel cell diffusion layer having the conductive porous body of the first aspect of the present invention.
ここで、第2の本発明にかかる燃料電池用拡散層の枠体に凹部が備えられる場合、当該凹部と導電性多孔部との間に位置する枠体を、枠体の「内側部分」、当該凹部に対して導電性多孔部と反対側に位置する枠体を、枠体の「外側部分」というとき、導電性多孔部を構成する導電性繊維は、枠体の内側部分で固定される。第2の本発明にかかる燃料電池用拡散層の枠体に凹部が備えられる場合、枠体の内側部分が備えられる形態(すなわち、枠体の一部で導電性繊維を固定可能な形態)で設けられていれば、凹部の形態は特に限定されない。凹部の形態の具体例としては、枠体全周に設けられる形態(内側部分及び外側部分によって狭持される凹部によって導電性多孔部が取り囲まれる形態)のほか、枠体の一部にのみ設けられる形態等を挙げることができる。 Here, when the recess of the fuel cell diffusion layer according to the second aspect of the present invention is provided with a recess, the frame positioned between the recess and the conductive porous portion is referred to as an “inner portion” of the frame, When the frame located on the side opposite to the conductive porous portion with respect to the concave portion is referred to as the “outer portion” of the frame, the conductive fibers constituting the conductive porous portion are fixed at the inner portion of the frame. . When the frame of the diffusion layer for a fuel cell according to the second aspect of the present invention is provided with a recess, the inner part of the frame is provided (that is, the conductive fiber can be fixed by a part of the frame). If it is provided, the shape of the recess is not particularly limited. As a specific example of the form of the recess, in addition to the form provided on the entire circumference of the frame (form in which the conductive porous part is surrounded by the recess sandwiched by the inner part and the outer part), it is provided only on a part of the frame. The form etc. which can be mentioned can be mentioned.
第3の本発明は、電解質膜と、該電解質膜を狭持する形態で備えられる一対の触媒層と、該一対の触媒層を狭持する形態で備えられる一対の拡散層と、該一対の拡散層を狭持する形態で備えられる一対のセパレータと、を具備し、拡散層が、上記第2の本発明の燃料電池用拡散層であることを特徴とする、燃料電池である。 According to a third aspect of the present invention, there is provided an electrolyte membrane, a pair of catalyst layers provided in a form for sandwiching the electrolyte membrane, a pair of diffusion layers provided in a form for sandwiching the pair of catalyst layers, A fuel cell, wherein the diffusion layer is a diffusion layer for fuel cells according to the second aspect of the present invention.
ここに、セパレータの構成材料としては、炭化水素系樹脂や金属等を例示することができる。さらに、触媒層とは、プロトン伝導性を有するアイオノマーと、電気化学反応の触媒として機能する触媒物質とを備える層を意味する。プロトン伝導性を有するアイオノマーの具体例としては、フッ素系のアイオノマー(例えば、Nafion等。「Nafion」は、米国デュポン社の登録商標。以下、単に「Nafion」という。)のほか、炭化水素系のアイオノマー(例えば、セレミオン等。「セレミオン」は旭硝子株式会社の登録商標。以下、単に「セレミオン」という。)等を例示することができる。加えて、電解質膜とは、プロトン伝導性を有する固体高分子膜を意味し、固体高分子膜に含まれるプロトン伝導性を有するアイオノマーとしては、上記フッ素系のアイオノマーや上記炭化水素系のアイオノマー等を例示することができる。 Here, examples of the constituent material of the separator include hydrocarbon resins and metals. Furthermore, the catalyst layer means a layer comprising an ionomer having proton conductivity and a catalyst substance that functions as a catalyst for electrochemical reaction. Specific examples of ionomers having proton conductivity include fluorine ionomers (for example, Nafion, etc., “Nafion” is a registered trademark of DuPont, USA; hereinafter simply referred to as “Nafion”), and hydrocarbon-based ionomers. Examples include ionomers (for example, Selemion, etc., “Selemion” is a registered trademark of Asahi Glass Co., Ltd., hereinafter simply referred to as “Selemion”) and the like. In addition, the electrolyte membrane means a solid polymer membrane having proton conductivity. Examples of the ionomer having proton conductivity contained in the solid polymer membrane include the fluorine ionomer and the hydrocarbon ionomer. Can be illustrated.
第4の本発明は、少なくとも、複数の第1導電性繊維を平面状に配列して第1繊維群を形成する、第1繊維群形成工程と、該第1繊維群形成工程後に、複数の第1導電性繊維の繊維方向と交差するように、第1繊維群の上へ、複数の第2導電性繊維を平面状に配列して第2繊維群を形成する第2繊維群形成工程と、を具備し、第1繊維群と第2繊維群とを備える導電性多孔部を形成する導電性多孔部形成工程と、該導電性多孔部形成工程によって形成された導電性多孔部の外縁に枠体材料を配置して、導電性多孔部を固定する枠体を形成する枠体形成工程と、を備えることを特徴とする、導電性多孔体の製造方法である。 The fourth aspect of the present invention is a first fiber group forming step of forming a first fiber group by arranging a plurality of first conductive fibers in a planar shape, and after the first fiber group forming step, A second fiber group forming step of forming a second fiber group by arranging a plurality of second conductive fibers in a plane on the first fiber group so as to intersect the fiber direction of the first conductive fiber; And a conductive porous part forming step for forming a conductive porous part including the first fiber group and the second fiber group, and an outer edge of the conductive porous part formed by the conductive porous part forming step. A frame body forming step of forming a frame body in which a frame body material is arranged to fix the conductive porous portion. A method for producing a conductive porous body.
ここに、「複数の第1導電性繊維の繊維方向と交差するように、第1繊維群の上へ、複数の第2導電性繊維を平面状に配列して第2繊維群を形成する」とは、第1繊維群を構成する各第1導電性繊維の軸方向と、第2繊維群を構成する各第2導電性繊維の軸方向とが交差する形態で、第1繊維群の上に第2繊維群が積層されることを意味する。さらに、「第1繊維群と第2繊維群とを備える導電性多孔部を形成する」とは、例えば、導電性多孔部に第1繊維群から第N繊維群(Nは3以上の自然数とする。)までが備えられる場合には、第1繊維群の上へ第2繊維群を形成し、第2繊維群の上へ第3繊維群を形成する工程を以下同様に繰り返して第N繊維群までを形成することにより、導電性多孔部が形成されることを意味する。加えて、「導電性多孔部の外縁に枠体材料を配置して、導電性多孔部を固定する枠体を形成する」とは、例えば、枠体材料がシリコーン樹脂の場合には、溶融又は溶解状態のシリコーン樹脂を、導電性多孔体の外縁に配置した型へ流入させ、冷却・乾燥させる等の方法により枠体を形成することを意味する。以下の本発明においても同様である。 Here, “a plurality of second conductive fibers are arranged in a plane on the first fiber group so as to intersect the fiber direction of the plurality of first conductive fibers to form the second fiber group”. Is a form in which the axial direction of each first conductive fiber constituting the first fiber group intersects with the axial direction of each second conductive fiber constituting the second fiber group. Means that the second fiber group is laminated. Furthermore, “to form a conductive porous part including the first fiber group and the second fiber group” means, for example, that the conductive porous part has a first fiber group to an Nth fiber group (N is a natural number of 3 or more). In the same manner, the process of forming the second fiber group on the first fiber group and forming the third fiber group on the second fiber group is repeated in the same manner. By forming up to a group, it means that a conductive porous part is formed. In addition, “a frame material is arranged on the outer edge of the conductive porous portion to form a frame that fixes the conductive porous portion” means, for example, when the frame material is a silicone resin, It means that the frame body is formed by a method in which a dissolved silicone resin is allowed to flow into a mold disposed on the outer edge of the conductive porous body, and is cooled and dried. The same applies to the following present invention.
上記第4の本発明において、さらに、導電性多孔部の厚み方向に圧縮圧力を加える、圧縮圧力付与工程が、導電性多孔部形成工程に備えられることが好ましい。 In the fourth aspect of the present invention, it is preferable that a compressive pressure applying step of applying a compressive pressure in the thickness direction of the conductive porous portion is provided in the conductive porous portion forming step.
また、上記第4の本発明(変形例を含む。以下同じ。)において、さらに、枠体形成工程に、枠体に凹部を形成する凹部形成工程が備えられることが好ましい。 In the fourth aspect of the present invention (including modifications, the same applies hereinafter), it is preferable that the frame body forming step further includes a concave portion forming step of forming a concave portion in the frame body.
ここに、「枠体に凹部を形成する凹部形成工程」とは、枠体が形成された後に、枠体に切り欠き等を入れることで凹部を形成する工程のほか、枠体に形成される凹部と対応する凸部を有する型に、例えば、上記シリコーン樹脂等を流入させ、冷却・乾燥させることで、凹部を備える枠体が形成される形態をも含む概念である。以下の本発明においても同様である。 Here, the “recess forming step of forming a recess in the frame” is formed in the frame in addition to the step of forming the recess by making a notch or the like in the frame after the frame is formed. It is a concept that includes a form in which, for example, the silicone resin or the like is allowed to flow into a mold having a convex portion corresponding to the concave portion, and cooled and dried to form a frame including the concave portion. The same applies to the following present invention.
また、上記第4の本発明において、さらに、枠体形成工程に、枠体の少なくとも一部に高剛性物質を配設する高剛性物質配設工程が備えられることが好ましい。 In the fourth aspect of the present invention, it is preferable that the frame forming step further includes a high-rigidity substance disposing step of disposing a high-rigidity substance on at least a part of the frame.
また、上記第4の本発明において、第1繊維群形成工程において平面状に配列される複数の第1導電性繊維の間隔と、第2繊維群形成工程において平面状に配列される複数の第2導電性繊維の間隔とが異なることが好ましい。 In the fourth aspect of the present invention, the intervals between the plurality of first conductive fibers arranged in a planar shape in the first fiber group forming step, and the plurality of first electrodes arranged in a planar shape in the second fiber group forming step. The distance between the two conductive fibers is preferably different.
また、上記第4の本発明において、第1導電性繊維の径と、第2導電性繊維の径とが異なることが好ましい。 In the fourth aspect of the present invention, it is preferable that the diameter of the first conductive fiber is different from the diameter of the second conductive fiber.
第5の本発明は、上記第4の本発明によって導電性多孔体を製造する工程を備えることを特徴とする、燃料電池用拡散層の製造方法である。 5th this invention is a manufacturing method of the diffusion layer for fuel cells characterized by including the process of manufacturing an electroconductive porous body by the said 4th this invention.
第6の本発明は、電解質膜の表面及び裏面にそれぞれ触媒層を配設して膜電極構造体を作製する、膜電極構造体作製工程と、該膜電極構造体作製工程によって作製された膜電極構造体の一方の側及び他方の側のそれぞれに、拡散層を配設して積層体を作製する、積層体作製工程と、該積層体作製工程によって作製された積層体の一方の側及び他方の側のそれぞれに、セパレータを配設するセパレータ配設工程と、を備え、拡散層が、上記第5の本発明の燃料電池用拡散層の製造方法によって製造されていることを特徴とする、燃料電池の製造方法である。 The sixth aspect of the present invention is a membrane electrode structure manufacturing step in which a catalyst layer is provided on each of the front and back surfaces of an electrolyte membrane to manufacture a membrane electrode structure, and a membrane manufactured by the membrane electrode structure manufacturing step. A laminated body manufacturing step of forming a laminated body by disposing a diffusion layer on each of one side and the other side of the electrode structure, and one side of the laminated body produced by the laminated body manufacturing step and A separator disposing step of disposing a separator on each of the other side, wherein the diffusion layer is manufactured by the method for manufacturing a diffusion layer for a fuel cell according to the fifth aspect of the present invention. This is a method of manufacturing a fuel cell.
ここに、膜電極構造体作製工程としては、例えば、触媒を担持させた担体を、溶剤に溶解させたプロトン伝導性を有するアイオノマーへ分散させることにより作製した、インク状の触媒層組成物を、電解質膜の表面及び裏面へスクリーン印刷することにより、膜電極構造体(以下、「MEA」という。)を作製する工程等を挙げることができる。このほか、触媒層組成物を電解質膜へスプレー塗布する等して、MEAを作製することも可能である。さらに、積層体作製工程としては、例えば、一対の拡散層の間にMEAを配置して、一対の拡散層とMEAとを熱圧着することにより、積層体を作製する工程等を挙げることができる。 Here, as the membrane electrode structure production step, for example, an ink-like catalyst layer composition produced by dispersing a carrier carrying a catalyst in an ionomer having proton conductivity dissolved in a solvent, Examples include a step of producing a membrane electrode structure (hereinafter referred to as “MEA”) by screen printing on the front and back surfaces of the electrolyte membrane. In addition, the MEA can also be produced by spray-coating the catalyst layer composition onto the electrolyte membrane. Furthermore, as a laminated body production process, for example, an MEA is disposed between a pair of diffusion layers, and a laminated body is produced by thermocompression bonding the pair of diffusion layers and the MEA. .
第1の本発明又は第4の本発明によれば、平面状に配列される導電性繊維群の間隔を制御することで、導電性多孔部の細孔径を制御することができる。そのため、第1の本発明によれば、細孔径の制御が可能な導電性多孔体を提供できる。一方、第4の本発明によれば、細孔径の制御が可能な導電性多孔体の製造方法を提供できる。さらに、第1の本発明又は第4の本発明によれば、導電性繊維群を積層することにより導電性多孔部を形成し、該導電性多孔部の外縁に配置される枠体によって導電性多孔部を固定することにより、導電性多孔体を形成できる。すなわち、導電性繊維を編み込んだり焼き付けたりする必要がない。そのため、第1の本発明によれば、製造工程を簡略化して製造コストを低減することが可能な導電性多孔体を提供できる。一方、第4の本発明によれば、製造工程を簡略化して製造コストを低減することが可能な、導電性多孔体の製造方法を提供できる。 According to the first aspect of the present invention or the fourth aspect of the present invention, the pore diameter of the conductive porous portion can be controlled by controlling the interval between the conductive fiber groups arranged in a plane. Therefore, according to 1st this invention, the electroconductive porous body which can control a pore diameter can be provided. On the other hand, according to 4th this invention, the manufacturing method of the electroconductive porous body which can control a pore diameter can be provided. Further, according to the first invention or the fourth invention, the conductive porous group is formed by laminating the conductive fiber group, and the conductive body is made conductive by the frame disposed at the outer edge of the conductive porous part. A conductive porous body can be formed by fixing the porous portion. That is, there is no need to braid or bake conductive fibers. Therefore, according to 1st this invention, the electroconductive porous body which can simplify a manufacturing process and can reduce manufacturing cost can be provided. On the other hand, according to 4th this invention, the manufacturing method of the electroconductive porous body which can simplify a manufacturing process and can reduce manufacturing cost can be provided.
また、第1の本発明又は第4の本発明において、枠体がガスケットとしての機能を兼ね備えていれば、本発明の導電性多孔体を備える機器における部品数の増加を低減することができる。さらに、枠体に凹部が備えられていれば、導電性多孔部の寸法が、平面状の第1繊維群や第2繊維群と平行な方向(以下、「面方向」という。)へ変化した場合であっても、凹部により、当該寸法変化を引き起こす応力が枠体の最外周部へ伝播することを抑制できる。 Further, in the first invention or the fourth invention, if the frame body also has a function as a gasket, an increase in the number of parts in the device including the conductive porous body of the present invention can be reduced. Furthermore, if the frame is provided with a recess, the dimension of the conductive porous portion is changed in a direction parallel to the planar first fiber group and the second fiber group (hereinafter referred to as “plane direction”). Even if it is a case, it can suppress that the stress which causes the said dimensional change propagates to the outermost periphery part of a frame by a recessed part.
また、第1の本発明又は第4の本発明において、枠体に備えられる高剛性物質は、例えば、導電性多孔部の面方向への寸法変化を抑制し得る形態で備えられることができ、かかる形態で備えられていれば、導電性多孔部の面方向への寸法変化を抑制できる。それゆえ、高剛性物質が備えられる形態とすることで、導電性多孔部を備える導電性多孔体の寸法変化を抑制でき、枠体のガスケットとしての機能を確保することも可能になる。 Further, in the first invention or the fourth invention, the high-rigidity substance provided in the frame can be provided, for example, in a form capable of suppressing a dimensional change in the surface direction of the conductive porous part, If it is provided in such a form, the dimensional change in the surface direction of the conductive porous portion can be suppressed. Therefore, by adopting a configuration in which a highly rigid substance is provided, it is possible to suppress the dimensional change of the conductive porous body including the conductive porous portion, and it is possible to ensure the function of the frame body as a gasket.
また、第1の本発明又は第4の本発明において、複数の第1導電性繊維が配列される間隔と、複数の第2導電性繊維が配列される間隔とが異なっていれば、導電性多孔部を積層方向の上方(又は下方)から見た場合の、細孔の大きさを、当該積層方向で傾斜化させることができる。これにより、導電性多孔部の細孔を流れる流体の流通形態を制御することができる。 In the first invention or the fourth invention, if the interval at which the plurality of first conductive fibers are arranged is different from the interval at which the plurality of second conductive fibers are arranged, the conductive property When the porous portion is viewed from above (or below) in the stacking direction, the size of the pores can be inclined in the stacking direction. Thereby, the distribution | circulation form of the fluid which flows through the pore of an electroconductive porous part is controllable.
また、第1の本発明又は第4の本発明において、第1導電性繊維の径と、第2導電性繊維の径とが異なっていれば、導電性繊維が積層されることにより形成される導電性多孔部を側面から見た場合の、導電性繊維の積層方向における繊維群の間隔(例えば、第1繊維群の上に第2繊維群が配置され、該第2繊維群の上に第3繊維群が配置されている場合には、導電性繊維の積層方向における、第1繊維群と第3繊維群との間隔)を、傾斜化することができる。これにより、導電性多孔部の細孔を流れる流体の流通しやすさを制御することができる。 Further, in the first invention or the fourth invention, if the diameter of the first conductive fiber is different from the diameter of the second conductive fiber, the conductive fiber is laminated. When the conductive porous portion is viewed from the side, the spacing between the fiber groups in the conductive fiber lamination direction (for example, the second fiber group is disposed on the first fiber group, and the second fiber group is disposed on the second fiber group. When three fiber groups are arranged, the interval between the first fiber group and the third fiber group in the stacking direction of the conductive fibers can be inclined. Thereby, the ease of distribution of the fluid flowing through the pores of the conductive porous part can be controlled.
第2の本発明又は第5の本発明によれば、平面状に配列される導電性繊維群の間隔を制御することで、導電性多孔部の細孔径を制御することができる。そのため、第2の本発明によれば、細孔径の制御が可能な燃料電池用拡散層を提供できる。一方、第5の本発明によれば、細孔径の制御が可能な燃料電池用拡散層の製造方法を提供できる。さらに、第2の本発明又は第5の本発明によれば、導電性繊維群を積層することにより導電性多孔部を形成し、該導電性多孔部の外縁に配置される枠体によって導電性多孔部を固定することにより、燃料電池用拡散層を形成できる。すなわち、導電性繊維を編み込んだり焼き付けたりする必要がないため、第2の本発明によれば、製造工程を簡略化して製造コストを低減することが可能な燃料電池用拡散層を提供できる。一方、第5の本発明によれば、製造工程を簡略化して製造コストを低減することが可能な燃料電池用拡散層の製造方法を提供できる。 According to the second aspect of the invention or the fifth aspect of the invention, the pore diameter of the conductive porous portion can be controlled by controlling the interval between the conductive fiber groups arranged in a plane. Therefore, according to the second aspect of the present invention, a fuel cell diffusion layer capable of controlling the pore diameter can be provided. On the other hand, according to the fifth aspect of the present invention, it is possible to provide a method for manufacturing a diffusion layer for a fuel cell capable of controlling the pore diameter. Furthermore, according to the second aspect of the invention or the fifth aspect of the invention, the conductive porous group is formed by laminating the conductive fiber group, and the conductive body is made conductive by the frame disposed at the outer edge of the conductive porous part. A fuel cell diffusion layer can be formed by fixing the porous portion. That is, since it is not necessary to knit or bake conductive fibers, the second aspect of the present invention can provide a diffusion layer for a fuel cell that can simplify the manufacturing process and reduce the manufacturing cost. On the other hand, according to the fifth aspect of the present invention, it is possible to provide a method for manufacturing a diffusion layer for a fuel cell capable of simplifying the manufacturing process and reducing the manufacturing cost.
また、第2の本発明又は第5の本発明において、枠体がガスケットとしての機能を兼ね備えていれば、本発明の燃料電池用拡散層を備える燃料電池における部品数の増加を低減することができる。さらに、枠体の凹部の深さ方向と導電性繊維群の積層方向(以下、「積層方向」という。)とが略平行の形態、又は、凹部の深さ方向と積層方向とが鋭角で交差する形態で凹部が備えられていれば、導電性多孔部の寸法が、面方向へ変化した場合であっても、凹部により、当該寸法変化を引き起こす応力が凹部よりも外側に位置する枠体の部位(枠体の外側部分)へ伝播することを抑制できる。したがって、かかる形態とすることにより、枠体の外側部分によって単セルの気密性を維持することが可能な、燃料電池用拡散層を提供できる。 Further, in the second or fifth aspect of the present invention, if the frame also has a function as a gasket, the increase in the number of components in the fuel cell including the fuel cell diffusion layer of the present invention can be reduced. it can. Furthermore, the depth direction of the concave portion of the frame and the lamination direction of the conductive fiber group (hereinafter referred to as “lamination direction”) are substantially parallel, or the depth direction of the concave portion and the lamination direction intersect at an acute angle. If the recess is provided in such a form, even if the dimension of the conductive porous portion changes in the plane direction, the stress of the dimensional change is caused by the recess in the frame body located outside the recess. Propagation to the part (outer part of the frame) can be suppressed. Therefore, by setting it as such a form, the diffusion layer for fuel cells which can maintain the airtightness of a single cell with the outer part of a frame can be provided.
また、第2の本発明又は第5の本発明において、枠体に備えられる高剛性物質は、例えば、導電性多孔部の面方向への寸法変化を抑制し得る形態で備えられることができ、かかる形態で備えられていれば、MEAと接触する導電性多孔部の面方向への寸法変化が抑制される。そのため、MEAの表面への皺の発生を抑制でき、当該皺の存在に起因する燃料電池の発電性能低下を抑制し得る燃料電池用拡散層を提供できる。さらに、導電性多孔部の面方向への寸法変化が抑制されれば、導電性多孔体の面方向への寸法変化も抑制されるので、単セルの気密性を維持しやすい燃料電池用拡散層を提供できる。 Further, in the second invention or the fifth invention, the high-rigidity substance provided in the frame can be provided, for example, in a form capable of suppressing a dimensional change in the surface direction of the conductive porous part, If it is provided in such a form, the dimensional change in the surface direction of the conductive porous part in contact with the MEA is suppressed. Therefore, the generation | occurrence | production of soot on the surface of MEA can be suppressed, and the diffusion layer for fuel cells which can suppress the power generation performance fall of the fuel cell resulting from the presence of the soot can be provided. Furthermore, if the dimensional change in the surface direction of the conductive porous portion is suppressed, the dimensional change in the surface direction of the conductive porous body is also suppressed. Therefore, the diffusion layer for a fuel cell that easily maintains the airtightness of the single cell. Can provide.
また、第2の本発明又は第5の本発明において、複数の第1導電性繊維が配列される間隔と、複数の第2導電性繊維が配列される間隔とが異なっていれば、導電性多孔部を積層方向の上方(又は下方)から見た場合の、細孔の大きさを、導電性繊維の積層方向で傾斜化させることができる。これにより、導電性多孔部の細孔を流れる流体(例えば、反応ガス、水等)の流通形態を制御することができる。 In the second or fifth aspect of the present invention, if the interval at which the plurality of first conductive fibers are arranged and the interval at which the plurality of second conductive fibers are arranged are different, the conductive property The pore size when the porous portion is viewed from above (or below) in the stacking direction can be inclined in the stacking direction of the conductive fibers. Thereby, the distribution | circulation form of the fluid (For example, reaction gas, water, etc.) which flows through the pore of an electroconductive porous part is controllable.
また、第2の本発明又は第5の本発明において、第1導電性繊維の径と、第2導電性繊維の径とが異なっていれば、導電性繊維が積層されることにより形成される導電性多孔部を側面から見た場合の、積層方向における繊維群の間隔(例えば、第1繊維群の上に第2繊維群が配置され、該第2繊維群の上に第3繊維群が配置されている場合には、導電性繊維の積層方向における、第1繊維群と第3繊維群との間隔)を、傾斜化することができる。これにより、導電性多孔部の細孔を流れる流体(例えば、反応ガス、水等)の流通形態を制御することができる。 Further, in the second invention or the fifth invention, if the diameter of the first conductive fiber is different from the diameter of the second conductive fiber, the conductive fiber is laminated. The spacing between the fiber groups in the stacking direction when the conductive porous portion is viewed from the side surface (for example, the second fiber group is disposed on the first fiber group, and the third fiber group is disposed on the second fiber group. In the case where the conductive fibers are arranged, the distance between the first fiber group and the third fiber group in the stacking direction of the conductive fibers can be inclined. Thereby, the distribution | circulation form of the fluid (For example, reaction gas, water, etc.) which flows through the pore of an electroconductive porous part is controllable.
第3の本発明によれば、第2の本発明にかかる燃料電池用拡散層が備えられるので、製造工程を簡略化して製造コストを低減することが可能な燃料電池を提供できる。さらに、第2の本発明によって得られる上記効果と同様の効果を奏することが可能な、燃料電池を提供できる。一方、第6の本発明によれば、第5の本発明にかかる燃料電池用拡散層の製造方法によって製造された燃料電池用拡散層を用いて、燃料電池が製造されるため、製造工程を簡略化して製造コストを低減することが可能な燃料電池を提供できる。さらに、第5の本発明によって得られる上記効果と同様の効果を奏することが可能な、燃料電池の製造方法を提供できる。 According to the third aspect of the present invention, since the fuel cell diffusion layer according to the second aspect of the present invention is provided, a fuel cell capable of simplifying the manufacturing process and reducing the manufacturing cost can be provided. Furthermore, a fuel cell capable of producing the same effect as the above effect obtained by the second present invention can be provided. On the other hand, according to the sixth aspect of the present invention, a fuel cell is manufactured using the fuel cell diffusion layer manufactured by the method for manufacturing a fuel cell diffusion layer according to the fifth aspect of the present invention. A fuel cell that can be simplified and reduced in manufacturing cost can be provided. Furthermore, it is possible to provide a method for manufacturing a fuel cell capable of producing the same effect as that obtained by the fifth aspect of the present invention.
1.燃料電池用拡散層(導電性多孔体)
本発明の導電性多孔体は、上述のように、燃料電池用拡散層として好適に用いることができる。ここで、本発明の導電性多孔体を構成する部材の構成材料として、本発明の燃料電池用拡散層を構成する部材の構成材料と同様のものを用いることが可能であり、本発明の燃料電池用拡散層に関する全記述は、本発明の導電性多孔体にも該当する。そこで、本発明の燃料電池用拡散層に関する以下の説明をもって、本発明の導電性多孔体の説明に代え、本発明の燃料電池用拡散層に関する説明の最後に、本発明の導電性多孔体が燃料電池用拡散層以外の用途で用いられる場合に使用可能な、本発明の導電性多孔体及び枠体の構成材料について言及する。以下、本発明の導電性多孔体の一形態である燃料電池用拡散層について説明する。
1. Diffusion layer for fuel cells (conductive porous material)
As described above, the conductive porous body of the present invention can be suitably used as a fuel cell diffusion layer. Here, as the constituent material of the member constituting the conductive porous body of the present invention, the same constituent material as the member constituting the fuel cell diffusion layer of the present invention can be used, and the fuel of the present invention All the descriptions relating to the battery diffusion layer also apply to the conductive porous body of the present invention. Therefore, instead of the description of the conductive porous body of the present invention, the following description of the diffusion layer for fuel cells of the present invention will be replaced with the description of the diffusion layer for fuel cells of the present invention. Reference will be made to the constituent materials of the conductive porous body and the frame of the present invention that can be used when used in applications other than the diffusion layer for fuel cells. Hereinafter, the diffusion layer for fuel cells which is one form of the electroconductive porous body of this invention is demonstrated.
図1は、第1実施形態にかかる本発明の燃料電池用拡散層(以下、「第1実施形態にかかる拡散層」という。)の形態例を概略的に示す正面図であり、図2は、図1のX−X断面を示す図である。以下、図1及び図2を参照しつつ、本発明の燃料電池用拡散層について説明する。なお、以下の説明において、導電性多孔部を構成する繊維群に共通の性質について言及する場合には、「各繊維群」と表記し、各繊維群に備えられる導電性繊維に共通の性質について言及する場合には、「各導電性繊維」と表記する。 FIG. 1 is a front view schematically showing a form example of a fuel cell diffusion layer (hereinafter referred to as “diffusion layer according to a first embodiment”) according to the first embodiment of the present invention, and FIG. FIG. 2 is a view showing an XX cross section of FIG. 1. Hereinafter, the fuel cell diffusion layer of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 and 2. In addition, in the following description, when referring to the properties common to the fiber groups constituting the conductive porous portion, it is referred to as “each fiber group” and the properties common to the conductive fibers provided in each fiber group. When referred to, it is described as “each conductive fiber”.
図1に示すように、第1実施形態にかかる拡散層10(以下、単に「拡散層10」という。)は、導電性多孔部8と、該導電性多孔部8の外縁に備えられて導電性多孔部8を固定する枠体9と、を備えている。導電性多孔部8に備えられる各導電性繊維は炭素繊維であり、各繊維群を構成する各導電性繊維は、略平行、略等間隔、及び、平面状形態で配列されている。導電性多孔部8は、第1繊維群1と、該第1繊維群1の上に積層される第2繊維群2と、該第2繊維群2の上に積層される第3繊維群3と、該第3繊維群3の上に積層される第4繊維群4と、該第4繊維群4の上に積層される第5繊維群5と、該第5繊維群5の上に積層される第6繊維群6と、該第6繊維群6の上に積層される第7繊維群7と、を備えている。第1繊維群1は、第1導電性繊維1a、1a、…を配列することにより形成され、第2繊維群2は、第2導電性繊維2a、2a、…と第1導電性繊維1a、1a、…とが略直交するように、第2導電性繊維2a、2a、…を配列することにより形成されている。さらに、第3繊維群3は、第3導電性繊維3a、3a、…と第2導電性繊維2a、2a、…とが略直交するように、第3導電性繊維3a、3a、…を配列することにより形成され、第4繊維群4は、第4導電性繊維4a、4a、…と第3導電性繊維3a、3a、…とが略直交するように、第4導電性繊維4a、4a、…を配列することにより形成されている。以下、同様に、第5繊維群5を形成する第5導電性繊維5a、5a、…は、第4導電性繊維4a、4a、…と略直交するように、第6繊維群6を形成する第6導電性繊維6a、6a、…は、第5導電性繊維5a、5a、…と略直交するように、第7繊維群7を形成する第7導電性繊維7a、7a、…は、第6導電性繊維6a、6a、…と略直交するように、それぞれ配列されている。
As shown in FIG. 1, a diffusion layer 10 according to the first embodiment (hereinafter simply referred to as “diffusion layer 10”) is provided on a conductive porous portion 8 and an outer edge of the conductive porous portion 8 to be conductive. And a
一方、図1に示すように、枠体9には、凹部9aが備えられ、凹部9aと導電性多孔部8との間に位置する枠体(以下、「繊維固定部9b」という。)によって導電性多孔部8を構成する各導電性繊維が固定されている。さらに、凹部9aよりも外縁の部位に、シール用ガスケット部9cが備えられ、枠体9の一の面(図2の紙面下方側の面)に高剛性物質(以下、「高剛性材料」ということがある。)9dが備えられている。
On the other hand, as shown in FIG. 1, the
このように、導電性多孔部8は、第1繊維群1の上に第2繊維群2を配置し、第1繊維群1の上に配置された第2繊維群2の上に第3繊維群3を配置し、以後、第3繊維群3の上に第4繊維群4、第5繊維群5、第6繊維群6、及び、第7繊維群7を順に配置することにより形成される。それゆえ、各導電性繊維を編み込む必要がなく、各繊維群を積層する工程によって導電性多孔部8を形成することができるので、導電性多孔部8の生産性を向上させることができる。さらに、繊維群を積層することにより構成される導電性多孔部8は、その外縁に備えられる枠体9によって固定される。それゆえ、導電性繊維(炭素繊維)同士を結着させる必要がなく、炭素繊維同士を結着するための加熱処理を経る必要がなく、加熱処理に費やされる製造コストを低減することができる。したがって、拡散層10によれば、製造工程を簡略化して製造コストを低減することができる。
Thus, the conductive porous portion 8 has the
さらに、拡散層10は、枠体9がシリコーン樹脂によって構成され、枠体9にシール用ガスケット部9cが備えられる。そのため、かかる形態の拡散層10によれば、ガスケットとして使用することが可能になる。
Further, in the diffusion layer 10, the
加えて、拡散層10は、枠体9に凹部9aが備えられる。そのため、導電性多孔部8に圧力が加わることにより、導電性多孔部8の寸法が図1の紙面左右方向や紙面上下方向等に変化した場合であっても、凹部9aにより、当該寸法変化を導電性多孔部8及び繊維固定部9bに止めることができる。すなわち、拡散層10によれば、シール用ガスケット部9cの位置が図1の紙面左右方向や紙面上下方向等にずれることを防止できるので、シール材としての機能を維持することが可能になる。
In addition, the diffusion layer 10 includes a
さらにまた、拡散層10は、枠体9に高剛性材料9dが備えられる。そのため、導電性多孔部8へ圧力が加わっても、高剛性材料9dにより、導電性多孔部8の寸法変化を抑制することができる。
Furthermore, in the diffusion layer 10, the
図3は、第2実施形態にかかる本発明の燃料電池用拡散層(以下、「第2実施形態にかかる拡散層」という。)の形態例を概略的に示す正面図であり、図4は、図2のY−Y断面を示す図である。図3、図4において、図1、図2に示す部材と同様の構成を採るものには、図1、図2で使用した符号と同符号を付し、その説明を適宜省略する。以下、図3及び図4を参照しつつ、本発明の燃料電池用拡散層について説明する。 FIG. 3 is a front view schematically showing a form example of a fuel cell diffusion layer (hereinafter referred to as “diffusion layer according to a second embodiment”) according to the second embodiment of the present invention. FIG. 3 is a view showing a YY cross section of FIG. 2. 3 and 4, components having the same configuration as the members shown in FIGS. 1 and 2 are denoted by the same reference numerals as those used in FIGS. 1 and 2, and description thereof will be omitted as appropriate. Hereinafter, the fuel cell diffusion layer of the present invention will be described with reference to FIGS. 3 and 4.
図3に示すように、第2実施形態にかかる拡散層20は、導電性多孔部28と、該導電性多孔部28の外縁に備えられて導電性多孔部28を固定する枠体9と、を備えている。導電性多孔部8に備えられる各導電性繊維は炭素繊維であり、各繊維群を構成する各導電性繊維は、略平行に、かつ、導電性多孔部28の一端から他端に向かって同一の繊維群を構成する導電性繊維間の間隔が徐々に大きく(又は小さく)なる形態で、平面状に配列されている。導電性多孔部28は、第1繊維群21と、該第1繊維群21の上に積層される第2繊維群22と、該第2繊維群22の上に積層される第3繊維群23と、該第3繊維群23の上に積層される第4繊維群24と、該第4繊維群24の上に積層される第5繊維群25と、該第5繊維群25の上に積層される第6繊維群26と、該第6繊維群26の上に積層される第7繊維群27と、を備えている。第1繊維群21は、第1導電性繊維21a、21a、…を配列することにより形成され、第2繊維群22は、第2導電性繊維22a、22a、…と第1導電性繊維21a、21a、…とが略直交するように、第2導電性繊維22a、22a、…を配列することにより形成されている。さらに、第3繊維群23は、第3導電性繊維23a、23a、…と第2導電性繊維22a、22a、…とが略直交するように、第3導電性繊維23a、23a、…を配列することにより形成され、第4繊維群24は、第4導電性繊維24a、24a、…と第3導電性繊維23a、23a、…とが略直交するように、第4導電性繊維24a、24a、…を配列することにより形成されている。以下、同様に、第5繊維群25を形成する第5導電性繊維25a、25a、…は、第4導電性繊維24a、24a、…と略直交するように、第6繊維群26を形成する第6導電性繊維26a、26a、…は、第5導電性繊維25a、25a、…と略直交するように、第7繊維群27を形成する第7導電性繊維27a、27a、…は、第6導電性繊維26a、26a、…と略直交するように、それぞれ配列されている。このように、炭素繊維を編みこんだり焼き付けたりする必要がない本発明の拡散層によれば、配列される炭素繊維のピッチを制御することで、導電性多孔部28に備えられる細孔の大きさを容易に制御することができる。
As shown in FIG. 3, the
図5は、第3実施形態にかかる本発明の燃料電池用拡散層(以下、「第3実施形態にかかる拡散層」という。)の形態例を概略的に示す正面図であり、図6は、図5のZ−Z断面を示す図である。図5、図6において、図1、図2に示す部材と同様の構成を採るものには、図1、図2で使用した符号と同符号を付し、その説明を適宜省略する。以下、図5及び図6を参照しつつ、本発明の燃料電池用拡散層について説明する。 FIG. 5 is a front view schematically showing a form example of a fuel cell diffusion layer (hereinafter referred to as “diffusion layer according to the third embodiment”) according to the third embodiment of the present invention. FIG. 6 is a diagram showing a ZZ cross section of FIG. 5. 5 and 6, components having the same configuration as the members shown in FIGS. 1 and 2 are denoted by the same reference numerals as those used in FIGS. 1 and 2, and description thereof will be omitted as appropriate. Hereinafter, the fuel cell diffusion layer of the present invention will be described with reference to FIGS. 5 and 6.
図5に示すように、第3実施形態にかかる拡散層30は、導電性多孔部38と、該導電性多孔部38の外縁に備えられて導電性多孔部38を固定する枠体9と、を備えている。導電性多孔部38に備えられる各導電性繊維は炭素繊維である。各繊維群を構成する各導電性繊維は、略平行に配列され、図6の紙面下方から上方へいくほど繊維群を構成する導電性繊維の間隔が拡がるように、かつ、図6の紙面下方から上方へいくほど繊維群を構成する導電性繊維の径が大きくなるように、配置されている。
As shown in FIG. 5, the
導電性多孔部38は、第1繊維群31と、該第1繊維群31の上に積層される第2繊維群32と、該第2繊維群32の上に積層される第3繊維群33と、該第3繊維群33の上に積層される第4繊維群34と、該第4繊維群34の上に積層される第5繊維群35と、該第5繊維群35の上に積層される第6繊維群36と、該第6繊維群36の上に積層される第7繊維群37と、を備えている。第1繊維群31は、第1導電性繊維31a、31a、…を間隔P1で配列することにより形成され、第2繊維群32は、第2導電性繊維32a、32a、…と第1導電性繊維31a、31a、…とが略直交するように、第2導電性繊維32a、32a、…を間隔P2で配列することにより形成されている。さらに、第3繊維群33は、第3導電性繊維33a、33a、…と第2導電性繊維32a、32a、…とが略直交するように、第3導電性繊維33a、33a、…を間隔P3で配列することにより形成され、第4繊維群34は、第4導電性繊維34a、34a、…と第3導電性繊維33a、33a、…とが略直交するように、第4導電性繊維34a、34a、…を間隔P4で配列することにより形成されている。以下、同様に、第5繊維群35を形成する第5導電性繊維35a、35a、…は、第4導電性繊維34a、34a、…と略直交するように、間隔P5で配列され、第6繊維群36を形成する第6導電性繊維36a、36a、…は、第5導電性繊維35a、35a、…と略直交するように、間隔P6で配列され、第7繊維群37を形成する第7導電性繊維37a、37a、…は、第6導電性繊維36a、36a、…と略直交するように、間隔P7で配列されている。
The conductive
そして、導電性多孔部38は、P1=P2、P3=P4、P5=P6であり、かつ、「P1(=P2)<P3(=P4)<P5(=P6)<P7」となるように、各導電性繊維が配列されている。さらに、第1導電性繊維31a、31a、…の繊維径を「R1」、第2導電性繊維32a、32a、…の繊維径を「R2」、第3導電性繊維33a、33a、…の繊維径を「R3」、第4導電性繊維34a、34a、…の繊維径を「R4」、第5導電性繊維35a、35a、…の繊維径を「R5」、第6導電性繊維36a、36a、…の繊維径を「R6」、及び、第7導電性繊維37a、37a、…の繊維径を「R7」とするとき、R1、R2、R3、R4、R5、R6、及びR7が「R1<R2<R3<R4<R5<R6<R7」という関係が成立している。
The conductive
導電性多孔部38をかかる構成とすれば、各導電性繊維によって形成される細孔の大きさが、図6の紙面下方から上方へ向かって徐々に大きくなるように、細孔の大きさを制御することができる。
If the conductive
なお、第3実施形態にかかる拡散層に関する説明では、「P1(=P2)<P3(=P4)<P5(=P6)<P7」かつ「R1<R2<R3<R4<R5<R6<R7」の形態を有する導電性多孔部38を例示したが、本発明の拡散層は、当該形態に限定されない。例えば、「P1(=P2)<P3(=P4)<P5(=P6)<P7」であり、かつ、「R1=R2=R3=R4=R5=R6=R7」の形態とすることもできるほか、「P1=P2=P3=P4=P5=P6=P7」であり、かつ、「R1<R2<R3<R4<R5<R6<R7」の形態とすることもできる。 In the description of the diffusion layer according to the third embodiment, “P1 (= P2) <P3 (= P4) <P5 (= P6) <P7” and “R1 <R2 <R3 <R4 <R5 <R6 <R7”. However, the diffusion layer of the present invention is not limited to this form. For example, “P1 (= P2) <P3 (= P4) <P5 (= P6) <P7” and “R1 = R2 = R3 = R4 = R5 = R6 = R7” may be adopted. In addition, “P1 = P2 = P3 = P4 = P5 = P6 = P7” and “R1 <R2 <R3 <R4 <R5 <R6 <R7” may be adopted.
本発明の燃料電池用拡散層(以下、「本発明の拡散層」又は「拡散層」ということがある。)に関する上記説明では、枠体9に、凹部9a、シール用ガスケット部9c、及び、高剛性材料9dが備えられる形態を例示したが、本発明は当該形態に限定されず、これらの1以上が備えられない形態とすることも可能である。ただし、後述するように、本発明の拡散層を備える燃料電池の発電性能を向上させる等の観点からは、凹部9a、シール用ガスケット部9c、及び、高剛性材料9dを具備する枠体9が備えられる形態の拡散層とすることが好ましい。
In the above description regarding the diffusion layer for fuel cells of the present invention (hereinafter sometimes referred to as “diffusion layer of the present invention” or “diffusion layer”), the
本発明の燃料電池用拡散層に関する上記説明において、それぞれの繊維群を形成する複数の導電性繊維が略平行に配列される形態を例示したが、本発明はかかる形態に限定されるものではない。上記形態のほか、例えば、それぞれの繊維群を形成する複数の導電性繊維が、交差しない範囲内でランダムに配列された形態とすることも可能である。 In the above description regarding the diffusion layer for a fuel cell of the present invention, a form in which a plurality of conductive fibers forming each fiber group is arranged in parallel is illustrated, but the present invention is not limited to such a form. . In addition to the above-described form, for example, a plurality of conductive fibers forming each fiber group may be randomly arranged within a range that does not intersect.
また、本発明の燃料電池用拡散層に関する上記説明において、7つの繊維群が積層されることにより形成される形態の導電性多孔部を例示したが、本発明の燃料電池用拡散層に備えられる導電性多孔部は、当該形態に限定されるものではない。導電性多孔部に備えられる繊維群の数は、燃料電池用拡散層に要求される性能等に応じて、適宜変更することができ、2以上の任意の数の繊維群が備えられる形態とすることが可能である。 In the above description of the diffusion layer for a fuel cell of the present invention, the conductive porous portion having a form formed by laminating seven fiber groups has been exemplified. However, the diffusion layer for a fuel cell of the present invention is provided. The conductive porous part is not limited to this form. The number of the fiber groups provided in the conductive porous part can be changed as appropriate according to the performance required for the diffusion layer for the fuel cell, and an arbitrary number of two or more fiber groups is provided. It is possible.
さらに、本発明の燃料電池用拡散層に関する上記説明において、導電性繊維として炭素繊維が用いられる形態を例示したが、本発明の燃料電池用拡散層に備えられる導電性繊維は、炭素繊維に限定されるものではない。単セル内の環境に耐えることができる材料であれば、炭素以外の材料を用いることができ、例えば、ステンレス鋼等を母材とする高耐食性金属の繊維状物質を用いることが可能である。 Furthermore, in the said description regarding the diffusion layer for fuel cells of this invention, although the form in which carbon fiber is used as a conductive fiber was illustrated, the conductive fiber with which the diffusion layer for fuel cells of this invention is provided is limited to carbon fiber. Is not to be done. Any material other than carbon can be used as long as it can withstand the environment in the single cell. For example, a highly corrosive metal fibrous material having stainless steel as a base material can be used.
加えて、本発明の燃料電池用拡散層に関する上記説明において、枠体としてシリコーン樹脂が用いられる形態を例示したが、本発明の燃料電池用拡散層に備えられる枠体を構成し得る材料は、シリコーン樹脂に限定されるものではない。枠体は、導電性多孔部を固定可能であるとともに、単セル内の環境に耐えることができる材料であれば、シリコーン樹脂以外の材料により形成することができ、当該材料の具体例としては、フッ素樹脂等を挙げることができる。 In addition, in the above description of the diffusion layer for a fuel cell of the present invention, the form in which silicone resin is used as the frame is exemplified, but the material that can constitute the frame provided in the diffusion layer for the fuel cell of the present invention, It is not limited to silicone resin. The frame body can be formed of a material other than the silicone resin as long as it is a material that can fix the conductive porous portion and can withstand the environment in the single cell. As a specific example of the material, A fluororesin etc. can be mentioned.
本発明の燃料電池用拡散層において、導電性多孔部を構成する導電性繊維を配列する際の間隔(例えば、上記P1〜P7)は、燃料電池用拡散層としての機能(ガス拡散性、湿潤環境下における排水性、乾燥環境下における保水性等)を発現可能な間隔であれば、特に限定されるものではない。当該間隔の具体例としては、10μm以上100μm以下等を挙げることができる。 In the fuel cell diffusion layer of the present invention, the intervals (for example, P1 to P7) when the conductive fibers constituting the conductive porous portion are arranged are functions (gas diffusibility, wetness) as the fuel cell diffusion layer. The interval is not particularly limited as long as the drainage in the environment, the water retention in the dry environment, and the like can be expressed. Specific examples of the interval include 10 μm or more and 100 μm or less.
さらに、本発明の燃料電池用拡散層において、導電性多孔部を構成する導電性繊維の径(例えば、上記R1〜R7)は、燃料電池用拡散層としての機能(ガス拡散性、湿潤環境下における排水性、乾燥環境下における保水性等)を発現可能な径であれば、特に限定されるものではない。当該径の具体例としては、2μm以上20μm以下等を挙げることができる。 Furthermore, in the fuel cell diffusion layer of the present invention, the diameters of the conductive fibers constituting the conductive porous portion (for example, the above R1 to R7) are functions as a fuel cell diffusion layer (gas diffusivity, in a wet environment). If it is a diameter which can express the drainage nature in water, the water retention in a dry environment, etc.), it will not be limited in particular. Specific examples of the diameter include 2 μm or more and 20 μm or less.
なお、これまで、本発明の導電性多孔体が燃料電池用拡散層として用いられる場合について説明したが、本発明の導電性多孔体は、燃料電池用拡散層以外の用途(例えば、フィルター等)で使用することも可能である。この場合、本発明の導電性多孔体に備えられる導電性繊維の構成材料としては、上記炭素及び金属のほか、炭素や金属等の導電性材料を表面にコーティングした無機繊維等を例示することができる。さらに、本発明の導電性多孔体が、燃料電池用拡散層以外の用途で使用される場合、本発明の導電性多孔体に備えられる枠体の構成材料としては、上記シリコーン樹脂及びフッ素樹脂等を例示することができる。 Heretofore, the case where the conductive porous body of the present invention is used as a diffusion layer for fuel cells has been described. However, the conductive porous body of the present invention is used for applications other than the diffusion layer for fuel cells (for example, filters). Can also be used. In this case, as a constituent material of the conductive fiber provided in the conductive porous body of the present invention, in addition to the above carbon and metal, an inorganic fiber whose surface is coated with a conductive material such as carbon or metal may be exemplified. it can. Further, when the conductive porous body of the present invention is used for applications other than the diffusion layer for fuel cells, the constituent materials of the frame body provided in the conductive porous body of the present invention include the silicone resin and the fluororesin described above. Can be illustrated.
2.燃料電池
図7は、本発明の燃料電池の形態例を概略的に示す断面図であり、本発明の燃料電池に備えられる単セルの一部断面を拡大して示している。図7において、図1、図2に示す部材と同様の構成を採るものには、図1、図2で使用した符号と同符号を付し、その説明を適宜省略する。なお、図7では、セパレータに備えられるガス流路の記載を省略している。以下、図7を参照しつつ、本発明の燃料電池について説明する。
2. Fuel Cell FIG. 7 is a cross-sectional view schematically showing an embodiment of the fuel cell of the present invention, and shows an enlarged partial cross section of a single cell provided in the fuel cell of the present invention. 7, components having the same configuration as the members shown in FIGS. 1 and 2 are denoted by the same reference numerals as those used in FIGS. 1 and 2, and description thereof will be omitted as appropriate. In addition, in FIG. 7, description of the gas flow path with which a separator is equipped is abbreviate | omitted. Hereinafter, the fuel cell of the present invention will be described with reference to FIG.
図7に示すように、本発明の燃料電池に備えられる単セル(以下、「本発明の燃料電池」又は「燃料電池」ということがある。)100は、電解質膜101と、該電解質膜101の一方の面に備えられるアノード触媒層102及び他方の面に備えられるカソード触媒層103と、を有するMEA104と、MEA104を狭持するように配設される一対の拡散層30、30と、一対の拡散層30、30の外側に配設されるセパレータ105、106と、を備えている。そして、セパレータ105には、水素を流通させ得るガス流路が備えられ、セパレータ106には、酸素を流通させ得るガス流路が備えられている。燃料電池100において、電解質膜101、アノード触媒層102a、及び、カソード触媒層103aには、例えば、Nafion等に代表される、フッ素系のアイオノマーが備えられ、アノード触媒層102a及びカソード触媒層103aには、さらに、電気化学反応の触媒として機能する白金等の金属粒子を担持した炭素が備えられている。また、セパレータ105、106は、例えば、炭化水素樹脂により形成されている。
As shown in FIG. 7, a single cell (hereinafter, also referred to as “the fuel cell of the present invention” or “fuel cell”) 100 provided in the fuel cell of the
燃料電池100は、図7の紙面上下方向に締結圧力が加えられている。そのため、導電性多孔部38が、図7の紙面上下方向に圧縮され、導電性多孔部38を構成する各導電性繊維が撓む。このようにして、各導電性繊維が撓むと、一の導電性繊維の上下に位置する導電性繊維によって、当該一の導電性繊維の移動が制限されるため、導電性多孔部38の中央部等において、各導電性繊維が移動し難い拡散層30とすることができる。
In the
燃料電池100の作動時には、セパレータ105に備えられるガス流路、及び、拡散層30(以下、セパレータ105とアノード触媒層102との間に配設される拡散層30を「拡散層30a」といい、セパレータ106とカソード触媒層103との間に配設される拡散層30を「拡散層30b」という。)を経て供給された水素が、アノード触媒層102の触媒上で、プロトンと電子とに分離する。このようにして生じたプロトンは、アノード触媒層、電解質膜101、及び、カソード触媒層103に備えられるフッ素系のアイオノマーを伝って、カソード触媒層103の触媒上へと達する。一方、アノード触媒層102で生じた電子は、電解質膜101を通過できない。そのため、電子は、外部回路を経て、カソード触媒層103の触媒上へと達する。そして、セパレータ106に備えられるガス流路、及び、拡散層30bを経て供給された酸素が、カソード触媒層103の触媒上で、プロトン及び電子と反応(電気化学反応)することにより水が生成される。このほか、当該電気化学反応の副反応により、OHラジカルやOOHラジカル等が生成され得る。燃料電池100で、OHラジカルやOOHラジカルが生成されると、炭素繊維により構成される導電性多孔部が、OHラジカルやOOHラジカル等によって損傷され、導電性多孔部38の寸法が変化する(収縮する)虞がある。
During the operation of the
ところが、燃料電池100の拡散層30、30(以下、「拡散層30」という。)には、MEA104側の面に、高剛性材料9dが備えられている。そのため、当該高剛性材料9dにより、導電性多孔部38の寸法変化を抑制することができる。導電性多孔部38の寸法変化が抑制されると、導電性多孔部38の寸法変化等に起因する、MEA104表面への皺の発生が抑制されるため、当該皺の発生による燃料電池の性能低下を抑制することができる。
However, the diffusion layers 30 and 30 (hereinafter referred to as “
一方、本発明の燃料電池100に備えられる枠体9は、シリコーン樹脂により構成され、枠体9にシール用ガスケット部9cが備えられる。そのため、拡散層30を拡散層として機能させるのみならず、ガスケットとして機能させることができる。したがって、従来のPEFCでは、それぞれの異なる部材として備えられていた拡散層とガスケットとを、本発明の燃料電池100では、一体化させることができるので、従来のPEFCよりも部材数を低減することが可能になる。
On the other hand, the
さらに、燃料電池100の拡散層30には、凹部9aが備えられている。このように、凹部9aが備えられる形態の拡散層30であれば、仮に導電性多孔部38の寸法が変化したとしても、凹部9aにより、シール用ガスケット部9cの寸法変化を抑制することができるので、拡散層30のガスケットとしての機能を維持することができる。
Further, the
さらに、燃料電池100の拡散層30は、MEA104から離れるにつれて、導電性多孔部38の細孔が大きくなるように、細孔の大きさが制御されている。そのため、例えば、燃料電池100に多量の水が存在する環境であっても、MEA104で生成される水をセパレータ105、106へ容易に排出することができる。このほか、MEA104で発生した水が、図示されていない熱媒体流路内を流れる冷却媒体等によって冷却されているセパレータ105、106に触れて結露することにより生じる液滴の水が、セパレータ105、106からMEA104へ移動することを抑制できる。したがって、拡散層30が備えられる形態とすることで、フラッディングの発生を抑制することが可能な燃料電池を提供できる。
Furthermore, the size of the pores of the
さらに、燃料電池100の拡散層30は、MEA104から離れるにつれて、それぞれの繊維群を形成する複数の導電性繊維の径が徐々に大きくなるように構成されている。それゆえ、MEA104からの距離が遠くなるほど、導電性多孔部38の細孔が大きくなるので、フラッディングの発生を容易に抑制し得る燃料電池を提供できる。
Furthermore, the
また、本発明の燃料電池100において、セパレータ105、106と接触する、拡散層30a、30bの導電性多孔部38を形成する導電性繊維(以下、「最表面導電性繊維」という。)の配列形態と、拡散層30a、30bの外側に配設されるセパレータ105、106に備えられるガス流路の形態は、特に限定されない。ただし、例えば、セパレータ105に備えられるガス流路が、拡散層30aの最表面導電性繊維と平行に備えられると、隣接する当該ガス流路によって挟まれている部分(以下、「ガス流路凸部」という。)と接触する最表面導電性繊維の数が減り(又は、ガス流路の開口部と対向する位置に存在する最表面導電性繊維の数が増え)、拡散層30aへと加えられる締結圧力が不均一になる結果、燃料電池100の接触抵抗が増加する虞がある。そこで、当該接触抵抗の増加を抑制又は防止する等の観点から、セパレータ105に備えられるガス流路と交差する形態で、拡散層30aの最表面導電性繊維が配列されていることが好ましい。このようにすれば、全ての最表面導電性繊維を、セパレータ105のガス流路凸部と接触させることが可能になるので、接触抵抗の増加を抑制又は防止することが可能になる。ここで、セパレータ105に備えられるガス流路と拡散層30aの最表面導電性繊維とが交差する際の角度(以下、「交差角」という。)は特に限定されるものではないが、ガス流路凸部を介して締結圧力を最表面導電性繊維へ効率良く伝達可能とすることにより、接触抵抗の増加抑制効果を得る等の観点からは、交差角を30°以上とすることが好ましく、交差角を90°とすることがさらに好ましい。なお、接触抵抗の増加抑制効果を得る等の観点からは、セパレータ106に備えられるガス流路と、拡散層30bの最表面導電性繊維との交差角についても、セパレータ105に備えられるガス流路と拡散層30aの最表面導電性繊維との上記交差角と同様の構成とすることが好ましい。
Further, in the
本発明の燃料電池に関する上記説明において、拡散層30が備えられる形態を例示したが、本発明の燃料電池に備えられ得る拡散層は、当該形態に限定されず、拡散層10や拡散層20等、他の形態を有する本発明の拡散層が備えられていても良い。
In the above description regarding the fuel cell of the present invention, the mode in which the
さらに、本発明の燃料電池に関する上記説明では、凹部9a、シール用ガスケット部9c、及び、高剛性材料9dを具備する拡散層30が備えられる形態を例示したが、本発明の燃料電池に備えられ得る拡散層は、当該形態に限定されず、例えば、凹部9a及び/又はシール用ガスケット部9cが備えられない形態であっても良い。ただし、燃料電池に備えられる部品数を低減する等の観点からは、シール用ガスケット部を有する枠体を具備する形態の拡散層が備えられる構成とすることが好ましく、拡散層にガスケットとしての機能が兼ね備えられる場合には、導電性多孔部の寸法が変化した場合であっても、当該ガスケットとしての機能を維持する等の観点から、凹部を有する形態の拡散層が備えられる構成とすることが好ましい。さらに、導電性多孔部38の寸法変化を抑制してMEA104の表面への皺の発生を抑制することで、本発明の燃料電池の発電性能を向上させる等の観点からは、高剛性材料を具備する形態の拡散層が備えられる構成とすることが好ましい。
Furthermore, in the above description regarding the fuel cell according to the present invention, the configuration in which the
また、本発明の燃料電池に関する上記説明では、フッ素系のアイオノマーを備える電解質膜を例示したが、本発明の燃料電池に備えられ得る電解質膜は、当該形態に限定されず、例えば、セレミオン等の炭化水素系のアイオノマーを有する電解質膜が備えられていても良い。さらに、本発明の燃料電池に関する上記説明得は、炭化水素系樹脂により構成されるセパレータを例示したが、本発明の燃料電池に備えられ得るセパレータは、当該形態に限定されず、例えば、ステンレス鋼を母材とし、その表面に高耐食性の被膜を形成させた金属によりセパレータが構成されていてもよい。 Further, in the above description regarding the fuel cell of the present invention, the electrolyte membrane provided with the fluorine ionomer is exemplified, but the electrolyte membrane that can be provided in the fuel cell of the present invention is not limited to this form, for example, a selemion or the like. An electrolyte membrane having a hydrocarbon ionomer may be provided. Further, the above explanation regarding the fuel cell of the present invention has exemplified the separator composed of a hydrocarbon-based resin, but the separator that can be provided in the fuel cell of the present invention is not limited to this form, for example, stainless steel The separator may be made of a metal having a base material and a high corrosion-resistant film formed on the surface thereof.
さらに、本発明の燃料電池に関する上記説明では、触媒として白金を例示したが、本発明の燃料電池に備えられ得る触媒は白金に限定されず、例えば、組成にCo及び/又はRu等が含まれる白金合金であっても良い。さらに、上記説明では、担体に担持された触媒が備えられる形態を例示したが、本発明の燃料電池は当該形態に限定されず、例えば、担体に担持されていない触媒(例えば、白金黒粒子等)がアノード触媒層及び/又はカソード触媒層に備えられていても良い。 Furthermore, in the above description regarding the fuel cell of the present invention, platinum is exemplified as the catalyst. However, the catalyst that can be provided in the fuel cell of the present invention is not limited to platinum, and includes, for example, Co and / or Ru or the like in the composition. A platinum alloy may be used. Furthermore, in the above description, a mode in which a catalyst supported on a carrier is provided is illustrated. However, the fuel cell of the present invention is not limited to this mode. For example, a catalyst that is not supported on a carrier (for example, platinum black particles) ) May be provided in the anode catalyst layer and / or the cathode catalyst layer.
3.燃料電池用拡散層の製造方法(導電性多孔体の製造方法)
本発明の導電性多孔体は、上述のように、燃料電池用拡散層として好適に用いることができる。ここで、本発明の導電性多孔体は、本発明の燃料電池用拡散層の製造方法と同様の方法で製造することができる。そこで、本発明の燃料電池用拡散層の製造方法に関する以下の説明をもって、本発明の導電性多孔体の説明に代える。以下、本発明の導電性多孔体の製造方法の一形態である燃料電池用拡散層の製造方法について説明する。
3. Manufacturing method of diffusion layer for fuel cell (Manufacturing method of conductive porous body)
As described above, the conductive porous body of the present invention can be suitably used as a fuel cell diffusion layer. Here, the conductive porous body of the present invention can be manufactured by the same method as the manufacturing method of the diffusion layer for a fuel cell of the present invention. Then, it replaces with description of the electroconductive porous body of this invention with the following description regarding the manufacturing method of the diffusion layer for fuel cells of this invention. Hereinafter, the manufacturing method of the diffusion layer for fuel cells which is one form of the manufacturing method of the electroconductive porous body of this invention is demonstrated.
図8は、本発明にかかる燃料電池用拡散層の製造方法(以下、「本発明の製造方法」ということがある。)の形態例を概略的に示すフローチャートである。以下、図1〜図6で使用した符号を用いつつ、導電性多孔部に、第1繊維群、第2繊維群、第3繊維群、第4繊維群、第5繊維群、第6繊維群、及び第7繊維群が備えられる形態の燃料電池用拡散層を製造する場合について説明する。 FIG. 8 is a flowchart schematically showing an example of a method for manufacturing a diffusion layer for a fuel cell according to the present invention (hereinafter sometimes referred to as “the manufacturing method of the present invention”). Hereinafter, the 1st fiber group, the 2nd fiber group, the 3rd fiber group, the 4th fiber group, the 5th fiber group, the 6th fiber group are used for a conductive porous part, using the numerals used in Drawings 1-6. A case of manufacturing a diffusion layer for a fuel cell in which the seventh fiber group is provided will be described.
図8に示すように、本発明の燃料電池用拡散層の製造方法には、導電性多孔部形成工程S1(以下、「工程S1」という。)、及び、枠体形成工程S2(以下、「工程S2」という。)が備えられる。導電性多孔部形成工程S1は、第1導電性繊維1a、1a、…を平面状に配列して第1繊維群1を形成する第1繊維群形成工程S11(以下、「工程S11」という。)と、工程S11終了後に、工程S11によって形成された第1繊維群1の上へ、第1導電性繊維1a、1a、…と第2導電性繊維2a、2a、…とが交差するように、第2導電性繊維2a、2a、…を平面状に配列して第2繊維群2を形成する第2繊維群形成工程S12(以下、「工程S12」という。)と、が備えられる。そして、工程S12終了後に、第2導電性繊維2a、2a、…と交差するように、第2繊維群2の上へ、第3導電性繊維3a、3a、…を平面状に配列して第3繊維群3を形成する第3繊維群形成工程S13(以下、「工程S13」という。)と、工程S13終了後に、第3導電性繊維3a、3a、…と交差するように、第3繊維群3の上へ、第4導電性繊維4a、4a、…を平面状に配列して第4繊維群4を形成する第4繊維群形成工程S14(以下、「工程S14」という。)と、が備えられ、以下同様にして、第5繊維群5を形成する第5繊維群形成工程S15(以下、「工程S15」という。)、第6繊維群6を形成する第6繊維群形成工程S16(以下、「工程S16」という。)、及び、第7繊維群7を形成する第7繊維群形成工程S17(以下、「工程S17」という。)が備えられる。すなわち、工程S1には、工程S11、工程S12、工程S13、工程S14、工程S15、工程S16、及び、工程S17が備えられ、これらの工程において各導電性繊維を等間隔で配列することにより、導電性多孔部8が形成される。
As shown in FIG. 8, the method for manufacturing a diffusion layer for a fuel cell of the present invention includes a conductive porous portion forming step S <b> 1 (hereinafter referred to as “step S <b> 1”) and a frame body forming step S <b> 2 (hereinafter referred to as “ Step S2 "). The conductive porous portion forming step S1 is a first fiber group forming step S11 (hereinafter referred to as “step S11”) in which the first conductive fibers 1a, 1a,. ) And after the end of step S11, the first conductive fibers 1a, 1a,... And the second
工程S1によって導電性多孔部8が形成されたら、引き続き、工程S2により、導電性多孔部8の外縁へ枠体9を形成し、該枠体9により導電性多孔部8を固定する。図8に示すように、工程S2には、枠体9に凹部を形成する凹部形成工程S21(以下、「工程S21」という。)と、枠体9に高剛性物質を配設する高剛性物質配設工程S22(以下、「工程S22]という。)と、が備えられている。ここで、工程S2の具体例としては、工程S1によって形成された導電性多孔部8の外縁に金型を配置し、当該金型へ、枠体9を構成する枠体材料(例えば、ゲル状のシリコーン樹脂等)を流入して乾燥させて硬化させる等の方法により、枠体9を形成する形態等を挙げることができる。一方、工程S21の具体例としては、硬化した枠体9に溝を形成することにより凹部9aを形成する形態のほか、凹部9aと対応する形状の凹部を金型に設けることにより、当該凹部を有する金型へ流入させた樹脂を硬化させると凹部9aが形成される形態等を挙げることができる。一方、高剛性物質配設工程S22の具体例としては、上記金型へ枠体材料を流入させる前に、金型へ高剛性物質を配置する形態等を挙げることができる。
When the conductive porous portion 8 is formed by the step S1, the
本発明の製造方法に関する上記説明では、拡散層10を製造する方法について記載したため、工程S11〜工程S17において配列される各導電性繊維の間隔を等間隔としたが、本発明の製造方法は当該形態に限定されない。例えば、上記拡散層30を製造する場合には、工程S11、工程S12、工程S13、工程S14、工程S15、工程S16、工程S17における間隔を、それぞれP1、P2、P3、P4、P5、P6、P7とするとき、「P1=P2、P3=P4、P5=P6」とし、かつ、「P1(=P2)<P3(=P4)<P5(=P6)<P7」とすれば良い。
In the said description regarding the manufacturing method of this invention, since it described about the method of manufacturing the diffusion layer 10, although the space | interval of each conductive fiber arranged in process S11-process S17 was made into equal intervals, the manufacturing method of this invention is the said The form is not limited. For example, when the
また、上記拡散層30を製造する場合には、例えば、第1導電性繊維の繊維径が最小であり、かつ、第7導電性繊維の繊維径が最大であって、第1繊維群から第7繊維群に向かって、繊維群を形成する導電性繊維の径が大きくなるような導電性繊維を用いて、導電性多孔部を形成すれば良い。
Further, when the
一方、本発明の製造方法に関する上記説明では、工程S1に、導電性多孔部の厚み方向(=積層方向)に圧縮圧力を加える、圧縮圧力付与工程が備えられない形態を示したが、本発明は当該形態に限定されない。例えば、第1繊維群から第7繊維群までが備えられる導電性多孔部を具備する拡散層を形成する際に、工程S17の後に、圧力付与工程を加え、その後、工程S2を行うことも可能である。このようにすれば、拡散層の製造時に、導電性多孔部の積層方向へ圧縮圧力が加えられるので、両端を枠体によって固定された導電性繊維の動きの自由度を低減することができ、その結果、製造時に形成された細孔の大きさを維持することが可能な、拡散層を得ることができる。 On the other hand, in the above description regarding the manufacturing method of the present invention, a mode in which the compression pressure is applied in the thickness direction (= stacking direction) of the conductive porous portion and the compression pressure applying step is not provided is shown in Step S1. Is not limited to this form. For example, when forming a diffusion layer having a conductive porous portion provided with the first fiber group to the seventh fiber group, it is possible to add a pressure application step after step S17 and then perform step S2. It is. In this way, when the diffusion layer is manufactured, a compression pressure is applied in the laminating direction of the conductive porous portion, so that the degree of freedom of movement of the conductive fibers having both ends fixed by the frame can be reduced. As a result, it is possible to obtain a diffusion layer that can maintain the size of the pores formed at the time of manufacture.
図9は、工程S11の形態例を示す概略図、図10は、図9に示される櫛状板93、96、98を概略的に示す拡大図であり、図10(a)は櫛状板93の一部を概略的に示す断面図、図10(b)は櫛状板96の一部を概略的に示す正面図、図10(c)は櫛状板98の一部を概略的に示す断面図である。図9において、直線矢印は、導電繊維の進行方向を示している。図9、図10において、図2で示す部材と同様の構成を採るものには、図2で使用した符号と同符号を付し、その説明を適宜省略する。なお、図が煩雑になることを防ぐため、図9では、3つのロールのみを示しているが、工程S11で使用されるロールの数は、これに限定されるものではない。以下、図2、図9及び図10を参照しつつ、工程S11について説明する。
FIG. 9 is a schematic view showing an example of the step S11, FIG. 10 is an enlarged view schematically showing the
図9に示すように、工程S11では、ロール状に巻かれた第1導電性繊維1a、1a、…の先端が、チャック94、94、…で掴まれることにより、導電性繊維ロール91、91、…から積層作業台97へと引き出される。導電性繊維ロール91、91、…から引き出された第1導電性繊維1a、1a、…の先端は、テンションロール92、92を経て、第1導電性繊維が配列される最終的な間隔よりも広い間隔の溝93x、93x、…が形成された櫛状板93(図10(a)参照)へと達する。当該櫛状板93によって間隔を調整された第1導電性繊維1a、1a、…は、その後、図9の紙面左側から順に、チャック94(以下、「チャック94a」という。)、94(以下、「チャック94b」という。)、櫛状板96、積層作業台97、及び、櫛状板98を経て、チャック94(以下、「チャック94c」という。)によってその先端を掴まれる。このようにして、第1導電性繊維1a、1a、…の先端が、チャック94cによって掴まれると、ロール91、91、…とチャック94cとの間に位置する第1導電性繊維1a、1a、…の一部がチャック94bによって掴まれることにより、積層作業台97の上に配置された、第1導電性繊維1a、1a、…が2箇所で固定される。その後、カッター95によって、第1導電性繊維1a、1a、…が切断されると、積層作業台97上に、両端をチャック94b、94cによって固定された状態の第1導電性繊維1a、1a、…が、平面状に配列される。
As shown in FIG. 9, in step S11, the tips of the first conductive fibers 1a, 1a,... Wound in a roll shape are gripped by
一方、図10(b)に示すように、櫛状板96は、一端から他端へ向けて、間隔が徐々に狭まるような形態の溝96x、96x、…が形成されている。また、櫛状板98は、櫛状板96の上記他端の間隔と同等の間隔を有する溝98x、98x、…が形成されている。すなわち、工程S11では、櫛状板93、96、及び98によって、第1繊維群1を形成する第1導電性繊維1a、1a、…の間隔が制御されている。
On the other hand, as shown in FIG. 10B, the comb-
図11は、工程S13の形態例を示す概略図である。図11において、図2、図9、又は、図10に示す部材と同様の構成を採るものには、これらの図で使用した符号と同符号を付し、その説明を適宜省略する。なお、図が煩雑になるのを防ぐため、第2繊維群を構成する第2導電性繊維の両端を固定する固定手段(チャック)の記載を省略しているほか、図9と同様の理由から、図11においても3つのロールのみを示しているが、工程S13で使用されるロールの数は、これに限定されるものではない。以下、図2及び図11を参照しつつ、工程S13について説明する。 FIG. 11 is a schematic diagram illustrating an example of the step S13. 11, those having the same configuration as the members shown in FIG. 2, FIG. 9, or FIG. 10 are denoted by the same reference numerals as those used in these drawings, and the description thereof is omitted as appropriate. In addition, in order to prevent a figure from becoming complicated, description of the fixing means (chuck) which fixes the both ends of the 2nd conductive fiber which comprises a 2nd fiber group is abbreviate | omitted, and for the same reason as FIG. FIG. 11 also shows only three rolls, but the number of rolls used in step S13 is not limited to this. Hereinafter, step S13 will be described with reference to FIGS.
図11に示すように、工程S13では、ロール状に巻かれた第3導電性繊維3a、3a、…の先端が、チャック94a、94b、…で掴まれることにより、導電性繊維ロール91’、91’、…から、積層作業台97の上に形成された第2繊維群2の上へと引き出される。導電性繊維ロール91’、91’、…から引き出された第3導電性繊維3a、3a、…は、工程S11における第1導電性繊維1a、1a、…と同様の工程を経ることにより、その間隔を調整され、第2繊維群2の上へ平面状に配列される。
As shown in FIG. 11, in step S13, the tips of the third conductive fibers 3a, 3a,... Wound in a roll shape are gripped by
図12は、工程S2の形態例を概略的に示す断面図である。図12において、図2又は図11に示す部材と同様の構成を採るものには、これらの図で使用した符号と同符号を付し、その説明を適宜省略する。なお、図が煩雑になるのを防ぐため、導電性多孔部8を構成する一部の繊維群、及び、繊維群を構成する導電性繊維の両端を固定する一部の固定手段(チャック)の記載を省略している。以下、図2及び図12を参照しつつ、工程S2について説明する。 FIG. 12 is a cross-sectional view schematically showing an example of the step S2. 12, components having the same configuration as the members shown in FIG. 2 or FIG. 11 are denoted by the same reference numerals as those used in these drawings, and the description thereof is omitted as appropriate. In order to prevent the figure from becoming complicated, some of the fiber groups constituting the conductive porous portion 8 and some fixing means (chuck) for fixing both ends of the conductive fibers constituting the fiber group. Description is omitted. Hereinafter, step S2 will be described with reference to FIGS.
図12に示すように、工程S2では、積層作業台97の上に形成された導電性多孔部8の外縁に、樹脂を流入させ得る金型99が配置される。金型99には、凹部9aを形成するための凹部99aと、シール用ガスケット部9cを形成するための凸部99bと、が備えられ、金型99には、樹脂を流入する前に、高剛性材料9dが配置される。工程S2では、金型に凹部99a及び凸部99bを形成して金型99とした後(工程S21)、当該金型99に高剛性材料9dが配置される(工程S22)。そして、高剛性材料9dが配置された金型99へ樹脂を流入した後、樹脂を乾燥させて硬化させることにより、枠体9を形成し、その後、枠体9からはみ出した各導電性繊維を切断することで、拡散層10を製造する。かかる工程を経ることにより、工程S1で形成された導電性多孔部8の外縁に枠体9を配置することができ、さらに、当該枠体9により、導電性多孔部8を固定することができる。
As shown in FIG. 12, in step S <b> 2, a
4.燃料電池の製造方法
図13は、本発明の燃料電池の製造方法の形態例を概略的に示すフローチャートである。以下、図1、図7、図8、及び図13を参照しつつ、本発明の燃料電池の製造方法について説明する。
図13に示すように、本発明の燃料電池の製造方法は、電解質膜101の表面及び裏面にそれぞれ触媒層102、103を配設してMEA104を作製する、MEA作製工程S131と、該工程S131によって作製されたMEA104の一方の側及び他方の側のそれぞれに、拡散層30、30を配設して積層体を作製する、積層体作製工程S132と、該工程S132によって作製された積層体の一方の側及び他方の側のそれぞれに、セパレータ105、106を配設するセパレータ配設工程S133と、を備えている。
4). Fuel Cell Manufacturing Method FIG. 13 is a flowchart schematically showing an embodiment of the fuel cell manufacturing method of the present invention. Hereinafter, the method for manufacturing the fuel cell of the present invention will be described with reference to FIGS. 1, 7, 8, and 13.
As shown in FIG. 13, the fuel cell manufacturing method of the present invention includes an MEA manufacturing step S131 in which an MEA 104 is manufactured by disposing catalyst layers 102 and 103 on the front and back surfaces of an electrolyte membrane 101, and the step S131. A laminated body production step S132 in which diffusion layers 30 and 30 are provided on each of one side and the other side of the MEA 104 produced in the above-described manner to produce a laminated body, and the laminated body produced in the step S132. A separator disposing step S133 for disposing
本発明の燃料電池の製造方法において、MEA作製工程S131の具体例としては、例えば、触媒を担持させた担体を、溶剤に溶解させたプロトン伝導性を有するアイオノマーへ分散させることにより作製した、インク状の触媒層組成物を、電解質膜101の表面及び裏面へスクリーン印刷することにより、MEA104を作製する工程等を挙げることができる。このほか、上記触媒層組成物を電解質膜101へスプレー塗布する等して、MEA104を作製することも可能である。一方、積層体作製工程S132の具体例としては、一対の拡散層30、30の間にMEA104を配置して、一対の拡散層30、30とMEA104とを熱圧着することにより、積層体を作製する工程等を挙げることができる。 In the method for producing a fuel cell of the present invention, as a specific example of the MEA production step S131, for example, an ink produced by dispersing a carrier carrying a catalyst in an ionomer having proton conductivity dissolved in a solvent. The process etc. which produce MEA104 by screen-printing on the surface and back surface of the electrolyte membrane 101 can be mentioned. In addition, the MEA 104 can be produced by spray-coating the catalyst layer composition onto the electrolyte membrane 101. On the other hand, as a specific example of the stacked body manufacturing step S132, the MEA 104 is disposed between the pair of diffusion layers 30 and 30, and the pair of diffusion layers 30 and 30 and the MEA 104 are thermocompression bonded to manufacture the stacked body. And the like.
1、21、31 第1繊維群
1a、21a、31a 第1導電性繊維
2、22、32 第2繊維群
2a、22a、32a 第2導電性繊維
3、23、33 第3繊維群
3a、23a、33a 第3導電性繊維
4、24、34 第4繊維群
4a、24a、34a 第4導電性繊維
5、25、35 第5繊維群
5a、25a、35a 第5導電性繊維
6、26、36 第6繊維群
6a、26a、36a 第6導電性繊維
7、27、37 第7繊維群
7a、27a、37a 第7導電性繊維
8、28、38 導電性多孔部
9 枠体
9a 凹部
9b 繊維固定部
9c シール用ガスケット部
9d 高剛性材料(高剛性物質)
10、20、30 燃料電池用拡散層
100 燃料電池
101 電解質膜
102 アノード触媒層
103 カソード触媒層
104 MEA
105、106 セパレータ
107、108 ガス流路
1, 21, 31
10, 20, 30 Diffusion layer for
105, 106
Claims (15)
前記第1繊維群形成工程後に、複数の前記第1導電性繊維の繊維方向と交差するように、前記第1繊維群の上へ、複数の第2導電性繊維を平面状に配列して第2繊維群を形成する、第2繊維群形成工程と、を具備し、前記第1繊維群と前記第2繊維群とを備える導電性多孔部を形成する導電性多孔部形成工程と、
該導電性多孔部形成工程によって形成された前記導電性多孔部の外縁に枠体材料を配置して、前記導電性多孔部を固定する枠体を形成する枠体形成工程と、を備えることを特徴とする、導電性多孔体の製造方法。 A first fiber group forming step of forming a first fiber group by arranging at least a plurality of first conductive fibers in a plane; and
After the first fiber group forming step, a plurality of second conductive fibers are arranged in a plane on the first fiber group so as to intersect the fiber direction of the plurality of first conductive fibers. Forming a two-fiber group, a second fiber group forming step, and forming a conductive porous part including the first fiber group and the second fiber group,
A frame body forming step in which a frame body material is disposed on an outer edge of the conductive porous portion formed by the conductive porous portion forming step to form a frame body that fixes the conductive porous portion. A method for producing a conductive porous material.
該膜電極構造体作製工程によって作製された前記膜電極構造体の一方の側及び他方の側のそれぞれに、拡散層を配設して積層体を作製する、積層体作製工程と、
該積層体作製工程によって作製された前記積層体の一方の側及び他方の側のそれぞれに、セパレータを配設するセパレータ配設工程と、を備え、
前記拡散層が、請求項14に記載の燃料電池用拡散層の製造方法によって製造されていることを特徴とする、燃料電池の製造方法。 A membrane electrode structure production step of producing a membrane electrode structure by disposing a catalyst layer on each of the front and back surfaces of the electrolyte membrane;
A laminated body producing step of producing a laminated body by disposing a diffusion layer on each of one side and the other side of the membrane electrode structure produced by the membrane electrode structural body producing step;
A separator disposing step of disposing a separator on each of one side and the other side of the laminate prepared by the laminate preparing step,
The method for producing a fuel cell, wherein the diffusion layer is produced by the method for producing a diffusion layer for a fuel cell according to claim 14.
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