JP2009199931A - 燃料電池、それを備える燃料電池スタック及び燃料電池の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】電解質層1と該電解質層1の周縁部より内方の部分を挾持するように設けられた一対の触媒層2a、2bを有する膜−触媒層接合体12と、導電性粒子とバインダー樹脂とを含んで通気性を有するように形成され、一対の触媒層2a、2bのそれぞれを覆うように形成された一対のシート3a、3bと、一対の導電性のセパレータ7a、7bと、を備え、シート3a、3bは、その厚み方向から見て、触媒層2a、2bからその周縁部が全周に亘ってはみ出すように配置されている、燃料電池。
【選択図】図1
Description
[燃料電池スタックの構成]
図1は、本発明の実施の形態1に係る燃料電池スタックの概略構成を模式的に示す断面図である。図2は、図1に示す燃料電池スタックの燃料電池を模式的に示す断面図であり、燃料電池スタックを締結する前の状態を示したものである。なお、図1及び図2においては、一部を省略している。
図1及び図2に示すように、燃料電池11は、膜−触媒層接合体12と、一対のシート3a、3bと、アノードセパレータ7aと、カソードセパレータ7bと、を備えている。一対のシート3a、3bが、膜−触媒体接合体12を挟んでMEA(Membrane−Electrode−Assembly:電解質層−電極接合体)5が形成され、該MEA5をアノードセパレータ7a及びカソードセパレータ7bで挾持されて、燃料電池11が形成されている。
これにより、MEA5が機械的に固定され、複数の燃料電池11をその厚み方向に積層したときには、MEA5が電気的に接続される。なお、これらのセパレータ7a、7bは、熱伝導性及び導電性に優れた金属、黒鉛、または、黒鉛と樹脂を混合したものを使用することができ、例えば、カーボン粉末とバインダー(溶剤)との混合物を射出成形により作製したものやチタンやステンレス鋼製の板の表面に金メッキを施したものを使用することができる。
まず、シート3a、3bの製造方法について説明する。
まず、燃料電池スタック100の図示されない燃料ガス供給用マニホールドに燃料ガスが供給され、また、図示されない酸化剤ガス供給用マニホールドに酸化剤ガスが供給される。燃料ガス供給用マニホールドに供給された燃料ガス及び酸化剤ガス供給用マニホールドに供給された酸化剤ガスは、それぞれ、各燃料電池11の燃料ガス流路8及び酸化剤ガス流路9に供給され、それぞれの流路を通流する。シート3a、3bは、それぞれ、溝状の燃料ガス流路8及び酸化剤ガス流路9の開口部分を覆うように配設されていることから、燃料ガス流路8及び酸化剤ガス流路9を通流する燃料ガス及び酸化剤ガスの一部が、濃度拡散により、シート3a、3bに移動する。
(実施の形態2)
図4は、本発明の実施の形態2に係る燃料電池スタックの概略構成を模式的に示す断面図である。なお、図4においては、一部を省略している。
(実施の形態3)
図5は、本発明の実施の形態3に係る燃料電池スタックにおける燃料電池の概略構成を模式的に示す断面図である。
(実施の形態4)
図6は、本発明の実施の形態4に係る燃料電池スタックの概略構成を模式的に示す断面図である。なお、図6においては、一部を省略している。
(実施の形態5)
図7は、本発明の実施の形態5に係る燃料電池スタックの概略構成を模式的に示す断面図である。なお、図7においては、一部を省略している。
(試験例1)
試験例1では、カーボンブラック100g(電気化学工業株式会社製デンカブラック)、グラファイト100g(和光純薬工業株式会社製)、界面活性剤(Triton X)20g、及び分散溶媒として水200gをミキサーに投入し、100rpmで60分間、混合した。ついで、混合物に、PTFEがシート中に23重量%含まれるように、PTFEディスパージョン(旭硝子株式会社製AD911、固形分比約60重量%)100gをミキサーに投入して、さらに、100rpmで30分間攪拌した。
試験例2では、試験例1と同じように、ミキサーにカーボンブラック等を投入して、混合物を作製し、PTFEがシート中に約5重量%含まれるように、PTFEディスパージョンを17gミキサーに投入した。ミキサーを100rpmで30分間攪拌したが、PTFE量が少ないために充分なバインダー効果が得られなかった。また、回転数及び攪拌時間を増加させたが、顕著な変化は見られず、シートを作製することができなかった。
試験例3では、試験例1と同じように、ミキサーにカーボンブラック等を投入して、混合物を作製し、PTFEがシート中に約55重量%含まれるように、PTFEディスパージョンを410gミキサーに投入して、ミキサーを100rpmで30分間攪拌した。攪拌後の混合物を確認したところ、バインダー効果が強すぎて、硬く団子状となっていた。ギャップ条件を変えて延伸ロール機に通したが、広がりにくく、均一なシートを作製できなかった。
まず、燃料電池の作製について説明する。
(実施例1)
実施例1では、試験例1で作製したシートを用いて、実施の形態1に係る燃料電池11の構成となるように作製した。
(実施例2)
実施例2では、実施例1と同じ構成の膜−触媒層接合体12を使用して、実施の形態2に係る燃料電池11の構成となるように作製した。
(実施例3)
実施例3では、実施の形態3に係る燃料電池11の構成となるように作製した。
(実施例4)
実施例4では、周縁部3a2、3b2の厚みが210μmとした以外は、実施例3のシートと同様のシートを作製して、平板プレス機で圧縮(室温、50kgf/cm2)した。圧縮したシートは、周縁部3a2、3b2の厚みが、中央部3a1、3b1の厚みと同じ180μmと、周縁部3a2、3b2の主面と中央部3a1、3b1の主面とが面一になった。
(実施例5)
実施例5では、周縁部3a2、3b2の厚みが230μmとした以外は、実施例3のシートと同様のシートを作製して、平板プレス機で圧縮(室温、50kgf/cm2)した。圧縮したシートは、周縁部3a2、3b2の厚みが、中央部3a1、3b1の厚みと同じ180μmと、周縁部3a2、3b2の主面と中央部3a1、3b1の主面とが面一になった。
(実施例6)
実施例6では、実施の形態4に係る燃料電池11の構成となるように作製した。
(実施例7)
実施例7では、実施例6で用いたPTFEディスパージョンの代わりに、フェノール樹脂(住友ベークライト製スミライトレジン)を用いて、シートを作製し、実施例1と同様にして、燃料電池11を作製した。
(実施例8)
実施例8では、実施の形態5に係る燃料電池11の構成となるように作製した。
(比較例1)
比較例1では、シートの中央部の多孔度が、周縁部の多孔度よりも大きいシートを用いて、燃料電池11を作製した。
具体的には、試験例1と同様の混合物を使いて、中央部3a1、3b1の厚みが200μm、周縁部3a2、3b2の幅を2mmとし、また、その厚さが、180μmとなるように、シートを作製した。このシートを平板プレス機で圧縮(室温、50kgf/cm2)した。圧縮したシートは、周縁部3a2、3b2の厚みが、中央部3a1、3b1の厚みと同じ180μmと、周縁部3a2、3b2の主面と中央部3a1、3b1の主面とが面一になった。
(比較例2)
比較例2では、実施例1のシートの代わりに、撥水処理後のカーボンペーパーにカーボン層インクを塗布した従来型GDL(ジャパンゴアテックス社製カーベルCFP(商品名))を用いて、実施例1と同様にして、燃料電池11を作製した。
次に、これらの燃料電池を用いて、一定量のヘリウムガスを流し、ヘリウムリークディテクターでガスリーク量を測定した。また、上記実施例1〜8及び比較例1のシートの多孔度をシートの厚さ、面積、重量から多孔度を算出した。具体的には、電極を構成する材料の真密度を用い、作製したシートの見かけ真密度を算出することにより求める方法を用いた。具体的には、多孔度算出用に作製したシートを打ち抜いて、20mm径の寸法とし、その重量及び厚さを測定する。そして、これらの測定値から得られたシートの密度を用い、多孔度=(作製シートの密度) /(見かけ真密度)・・・(1)により求めた。
2a アノード触媒層
2b カソード触媒層
3a シート
3a1 中央部
3a2 周縁部
3b シート
3b1 中央部
3b2 周縁部
4a アノード
4b カソード
5 MEA(Membrane−Electrode−Assembly:電解質層−電極接合体)
6 サブガスケット
7a アノードセパレータ
7b カソードセパレータ
8 燃料ガス流路
9 酸化剤ガス流路
10 冷却媒体流路
11 燃料電池
12 膜−触媒層接合体
21 燃料ガス供給用マニホールド孔
25a 凹部
25b 凹部
31 燃料ガス供給用マニホールド
41 突起部
51 突起部
100 燃料電池スタック
Claims (15)
- 電解質層と該電解質層の周縁部より内方の部分を挾むように設けられた一対の触媒層を有する膜−触媒層接合体と、
導電性粒子とバインダー樹脂とを含んで通気性を有するように形成され、前記一対の触媒層のそれぞれを覆うように配置された一対のシートと、
前記膜−触媒層接合体及び前記一対のシートを挟持するように配設された一対の導電性で板状のセパレータと、を備え、
前記シートは、その厚み方向から見て、前記触媒層からその周縁部が全周に亘ってはみ出すように配置されている、燃料電池。 - 前記シートの周縁部より内方の部分(以下、中央部)の多孔度が40%以上、かつ、95%以下である、請求項1に記載の燃料電池。
- 前記シートの周縁部の多孔度が前記シートの中央部の多孔度以下である、請求項1に記載の燃料電池。
- 前記シートの周縁部の多孔度が前記シートの中央部の多孔度より小さい、請求項1に記載の燃料電池。
- 前記シートの周縁部の多孔度が0%以上、かつ、40%以下である、請求項1に記載の燃料電池。
- 前記シートの中央部の多孔度と前記シートの周縁部の多孔度の比が、1.0以下である、請求項1に記載の燃料電池。
- 前記シートの中央部の多孔度と前記シートの周縁部の多孔度の比が、1.0未満である、請求項1に記載の燃料電池。
- 前記シートの中央部の多孔度と前記シートの周縁部の多孔度の比が、0.5以上、かつ、1.0未満である、請求項1に記載の燃料電池。
- 前記シートは、前記バインダー樹脂と前記導電性粒子とを含む混合物を圧延し、焼成することにより形成されたシートである、請求項1に記載の燃料電池。
- 前記シートは、その周縁部に、さらに樹脂を含浸させて形成したシートである、請求項9に記載の燃料電池。
- 前記バインダー樹脂がフッ素樹脂である、請求項1に記載の燃料電池。
- 前記導電性粒子がカーボンである、請求項1に記載の燃料電池。
- 前記セパレータの前記シートと接触する主面の周縁部に凸部が形成されている、請求項1に記載の燃料電池。
- 請求項1に記載の燃料電池を複数積層して締結されている、燃料電池スタック。
- 電解質層の両面に触媒層を形成して電解質層−触媒層接合体を得る工程と、
導電性粒子とバインダー樹脂とを含む混合物を圧延し、焼成することによりシートを形成する工程と、
前記電解質層−触媒層接合体に前記シートを接合する工程と、を有する、燃料電池の製造方法。
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