JP2009295342A - Fuel cell and method of manufacturing fuel cell - Google Patents
Fuel cell and method of manufacturing fuel cell Download PDFInfo
- Publication number
- JP2009295342A JP2009295342A JP2008145929A JP2008145929A JP2009295342A JP 2009295342 A JP2009295342 A JP 2009295342A JP 2008145929 A JP2008145929 A JP 2008145929A JP 2008145929 A JP2008145929 A JP 2008145929A JP 2009295342 A JP2009295342 A JP 2009295342A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- fuel cell
- repellent layer
- water repellent
- water
- electrode assembly
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Images
Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
- Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
- Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product
Abstract
Description
本発明は、燃料電池、および、燃料電池の製造方法に関するものである。 The present invention relates to a fuel cell and a method for manufacturing the fuel cell.
水素と酸素との電気化学反応によって発電する燃料電池がエネルギ源として注目されている。この燃料電池は、発電体として、プロトン伝導性を有する電解質膜の両面に、触媒層およびガス拡散層を接合した膜電極接合体を備えている。この膜電極接合体では、発電時に、上記電気化学反応によって生成水が生成される。そして、この生成水が排出されずに過剰に滞留すると、いわゆるフラッディングが生じる。そこで、従来、膜電極接合体の触媒層とガス拡散層との間に撥水層を介装することによって、生成水の排水性を向上させ、フラッディングを抑制するための種々の技術が提案されている(例えば、下記特許文献1〜3参照)。 A fuel cell that generates electricity by an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen has attracted attention as an energy source. This fuel cell includes a membrane electrode assembly in which a catalyst layer and a gas diffusion layer are bonded to both surfaces of an electrolyte membrane having proton conductivity as a power generator. In this membrane electrode assembly, generated water is generated by the electrochemical reaction during power generation. And when this produced water is not discharged and stays excessively, so-called flooding occurs. Therefore, various techniques have been proposed in the past to improve the drainage of generated water and suppress flooding by interposing a water-repellent layer between the catalyst layer and the gas diffusion layer of the membrane electrode assembly. (For example, refer to Patent Documents 1 to 3 below).
ところで、膜電極接合体は、発電中に、上記電気化学反応による発熱や生成水によって高温高湿になる。そして、本願発明者は、燃料電池の改良の過程で、膜電極接合体が備える撥水層にカーボンが含まれる場合、撥水層が高温高湿環境に長時間曝されると、その撥水性が経時的に低下し、燃料電池において、フラッディングが生じるようになることを見出した。これは、撥水層が高温高湿環境に長時間曝されることによって、撥水層に含まれるカーボンの表面自由エネルギが増加することによるものと考えられる。しかし、上記特許文献に記載された技術では、上述した撥水性の低下による発電性能の低下については考慮されていなかった。 By the way, the membrane electrode assembly becomes hot and humid due to heat generated by the electrochemical reaction and generated water during power generation. Then, in the process of improving the fuel cell, when the water repellent layer included in the membrane / electrode assembly contains carbon, the inventor of the present application, when the water repellent layer is exposed to a high temperature and high humidity environment for a long time, Has been found to decrease over time and flooding occurs in the fuel cell. This is presumably because the surface free energy of the carbon contained in the water repellent layer increases as the water repellent layer is exposed to a high temperature and high humidity environment for a long time. However, in the technique described in the above-mentioned patent document, the reduction in power generation performance due to the above-described reduction in water repellency has not been considered.
本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、電解質膜の表面に、触媒層と、カーボンおよび撥水材を含む撥水層と、ガス拡散層とがこの順に配置された膜電極接合体を備える燃料電池において、撥水層の撥水性の低下による発電性能の低下を抑制することを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and on the surface of the electrolyte membrane, a catalyst layer, a water-repellent layer containing carbon and a water-repellent material, and a gas diffusion layer are arranged in this order. In a fuel cell including a membrane electrode assembly, an object is to suppress a decrease in power generation performance due to a decrease in water repellency of a water repellent layer.
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するために以下の形態又は適用例として実現することが可能である。 The present invention can be realized as the following forms or application examples in order to solve at least a part of the above-described problems.
[適用例1]電解質膜の表面に、触媒層と、カーボンおよび撥水材を含む撥水層と、ガス拡散層とがこの順に配置された膜電極接合体を備える燃料電池であって、前記撥水層は、前記カーボンの嵩密度が0.010〜0.042(g/mL)である第1の領域を有する、燃料電池。 Application Example 1 A fuel cell including a membrane electrode assembly in which a catalyst layer, a water repellent layer containing carbon and a water repellent material, and a gas diffusion layer are arranged in this order on the surface of an electrolyte membrane, The water repellent layer is a fuel cell having a first region in which the carbon has a bulk density of 0.010 to 0.042 (g / mL).
本願発明者は、撥水層が高温高湿環境に曝されることによる撥水性の低下の度合いは、撥水層におけるカーボンの嵩密度と有意な相関関係があり、撥水層におけるカーボンの嵩密度を0.010〜0.042(g/mL)とすることによって、撥水性の低下を抑制することができることを実験的に見出した。また、撥水層において比較的高温高湿になる領域に、上述した撥水性の低下を抑制できる撥水層を形成することによって、燃料電池の発電性能の低下を抑制することができることを実験的に見出した。つまり、適用例1の燃料電池によって、膜電極接合体が備える撥水層の撥水性の経時的な低下による発電性能の低下を抑制することができる。なお、上記カーボンの嵩密度の下限値は、市販されているカーボンナノチューブにおける下限値である。 The present inventor has found that the degree of reduction in water repellency due to exposure of the water-repellent layer to a high-temperature and high-humidity environment has a significant correlation with the bulk density of carbon in the water-repellent layer. It was experimentally found that a decrease in water repellency can be suppressed by setting the density to 0.010 to 0.042 (g / mL). In addition, it is experimental that it is possible to suppress a decrease in power generation performance of a fuel cell by forming a water-repellent layer capable of suppressing the above-described decrease in water repellency in a region where the water-repellent layer is relatively hot and humid. I found it. That is, the fuel cell of Application Example 1 can suppress a decrease in power generation performance due to a decrease in water repellency of the water repellent layer included in the membrane electrode assembly over time. In addition, the lower limit of the bulk density of the carbon is a lower limit of commercially available carbon nanotubes.
[適用例2]適用例1記載の燃料電池であって、前記第1の領域は、前記膜電極接合体の周縁領域と、ガスの出口近傍に対応する領域と、ガスが他の領域よりも滞留しやすい領域とのうちの少なくとも1つを含む、燃料電池。 Application Example 2 In the fuel cell according to Application Example 1, the first region includes a peripheral region of the membrane electrode assembly, a region corresponding to the vicinity of the gas outlet, and a gas more than other regions. A fuel cell comprising at least one of a region liable to stay.
膜電極接合体において、その周縁領域や、ガスの出口近傍に対応する領域や、ガスが他の領域よりも滞留しやすい領域では、これらの領域以外の領域よりも高温高湿になりやすい。したがって、本適用例は効果的である。 In a membrane / electrode assembly, the peripheral region, the region corresponding to the vicinity of the gas outlet, and the region where gas tends to stay more easily than other regions tend to be hotter and humid than regions other than these regions. Therefore, this application example is effective.
[適用例3]適用例1または2記載の燃料電池であって、前記撥水層は、さらに、前記カーボンの嵩密度が0.042(g/mL)よりも高い第2の領域を有する、燃料電池。 [Application Example 3] The fuel cell according to Application Example 1 or 2, wherein the water-repellent layer further includes a second region in which a bulk density of the carbon is higher than 0.042 (g / mL). Fuel cell.
膜電極接合体の撥水層の撥水性が低下するとフラッディングが生じやすくなるが、比較的高温高湿になりにくい領域に上述した撥水性の低下を抑制できる撥水層を形成すると、ドライアップによって発電性能が低下する場合がある。本適用例では、撥水層において比較的高温高湿になりにくい領域に、カーボンの嵩密度が0.042(g/mL)よりも高い撥水層を形成するので、この領域におけるドライアップを抑制することができる。この結果、膜電極接合体における発電分布の均一化を図ることができる。 When the water repellency of the water-repellent layer of the membrane / electrode assembly decreases, flooding is likely to occur, but if a water-repellent layer capable of suppressing the above-described decrease in water repellency is formed in a region that is not likely to be relatively hot and humid, dry-up The power generation performance may be reduced. In this application example, a water-repellent layer having a carbon bulk density higher than 0.042 (g / mL) is formed in a region where the water-repellent layer is unlikely to be relatively hot and humid. Can be suppressed. As a result, the power generation distribution in the membrane electrode assembly can be made uniform.
[適用例4]適用例1ないし3のいずれかに記載の燃料電池であって、前記撥水層は、前記膜電極接合体におけるアノード側、および、カソード側のうちの少なくともカソード側に形成されている、燃料電池。 Application Example 4 In the fuel cell according to any one of Application Examples 1 to 3, the water-repellent layer is formed on at least the cathode side of the anode side and the cathode side in the membrane electrode assembly. A fuel cell.
膜電極接合体において、生成水は、カソード反応によって生成されるため、アノード側よりもカソード側の方が高温高湿になりやすい。したがって、本適用例によって、膜電極接合体における少なくともカソード側の撥水層の撥水性の低下を抑制することができる。 In the membrane / electrode assembly, generated water is generated by a cathode reaction, and therefore, the cathode side is more likely to be hot and humid than the anode side. Therefore, this application example can suppress a decrease in water repellency of at least the cathode-side water-repellent layer in the membrane electrode assembly.
本発明は、上述の燃料電池としての構成の他、上述の燃料電池の製造方法の発明として構成することもできる。また、上述の燃料電池に用いられる膜電極接合体、および、その製造方法の発明として構成することもできる。 The present invention can be configured as an invention of the above-described fuel cell manufacturing method in addition to the above-described configuration of the fuel cell. Moreover, it can also be comprised as invention of the membrane electrode assembly used for the above-mentioned fuel cell, and its manufacturing method.
以下、本発明の実施の形態について、実施例に基づき説明する。
A.燃料電池:
図1は、本発明の一実施例としての燃料電池100の概略断面構造を模式的に示す説明図である。図示するように、この燃料電池100は、膜電極接合体110の両面を、アノード側セパレータ120、および、カソード側セパレータ130で挟持することによって構成されている。膜電極接合体110は、プロトン伝導性を有する電解質膜の両面に、それぞれアノード、および、カソードを接合したものである。膜電極接合体110については、後から詳述する。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described based on examples.
A. Fuel cell:
FIG. 1 is an explanatory view schematically showing a schematic cross-sectional structure of a
アノード側セパレータ120のアノードと接触する側の面は、図示するように、溝部122を備える凹凸形状を有しており、溝部122は、燃料ガスとしての水素、および、アノードから排出されるアノードオフガスが流れるガス流路を形成する。また、カソード側セパレータ130のカソードと接触する側の面も、図示するように、溝部132を備える凹凸形状を有しており、溝部132は、酸化剤ガスとしての酸素を含む空気(加湿空気)、および、カソードから排出されるカソードオフガスが流れるガス流路を形成する。本実施例では、これらの各ガス流路は、それぞれ、サーペンタイン型のガス流路であるものとし、ガスが膜電極接合体110を挟んで互いに対向する方向に流れるように形成されている。
As shown in the figure, the surface of the
なお、図示は省略しているが、アノード側セパレータ120、および、カソード側セパレータ130には、冷却水を流すための流路も形成されている。アノード側セパレータ120、および、カソード側セパレータ130の材料としては、カーボンや、金属など、導電性を有する種々の材料を適用可能である。
Although not shown, the anode-
膜電極接合体110は、図1に示すように、電解質膜112の一方の両面に、触媒層114と、触媒層114と当接する側の表面にカーボンおよび撥水材(例えば、PTFE:ポリテトラフルオロエチレン)を含む撥水層116が形成されたガス拡散層118とを接合することによって構成されている。本実施例では、電解質膜112として、ナフィオン(登録商標)等の固体高分子型の電解質膜を用いるものとした。電解質膜112として、他の電解質膜を用いるものとしてもよい。また、本実施例では、ガス拡散層118として、カーボンクロスを用いるものとした。ガス拡散層118として、カーボンペーパ等、ガス拡散性、および、導電性を有する他の材料を用いるものとしてもよい。撥水層116は、発電時に水素と酸素との電気化学反応によって生成される生成水を効果的に排出し、フラッディングを抑制するためのものである。
As shown in FIG. 1, the
ところで、一般に、膜電極接合体は、発電中に、上記電気化学反応による発熱や生成水によって高温高湿になる。そして、本願発明者は、燃料電池の改良の過程で、膜電極接合体が備える撥水層にカーボンが含まれる場合、撥水層が高温高湿環境に長時間曝されると、その撥水性が経時的に低下し、燃料電池においてフラッディングが生じるようになることを見出した。これは、撥水層が高温高湿環境に長時間曝されることによって、撥水層に含まれるカーボンの表面自由エネルギが増加することによるものと考えられる。そこで、本実施例では、膜電極接合体110が備える撥水層116に、高温高湿環境に長時間曝されることによる撥水性の低下を抑制するための改良が施されている。
By the way, in general, the membrane / electrode assembly becomes hot and humid due to heat generated by the electrochemical reaction and generated water during power generation. Then, in the process of improving the fuel cell, when the water repellent layer included in the membrane / electrode assembly contains carbon, the inventor of the present application, when the water repellent layer is exposed to a high temperature and high humidity environment for a long time, Has been found to decrease over time and flooding occurs in the fuel cell. This is presumably because the surface free energy of the carbon contained in the water repellent layer increases as the water repellent layer is exposed to a high temperature and high humidity environment for a long time. Therefore, in this embodiment, the
図2は、本実施例の撥水層116について示す説明図である。図2(a)に、膜電極接合体110をアノード側から見たときの、膜電極接合体110のカソード側の表面におけるガスの流れを模式的に示した。また、図2(b)に、膜電極接合体110のカソード側の撥水層116の構成を示した。なお、ここでは、膜電極接合体110のカソード側の撥水層116の構成についてのみ説明するが、本実施例では、アノード側の撥水層116についてもカソード側の撥水層116と同様の構成を適用している。
FIG. 2 is an explanatory view showing the
図2(a)に示したように、膜電極接合体110のカソード側の表面において、ガス(加湿空気、および、カソードオフガス)は蛇行して流れる。そして、膜電極接合体110の周縁の、ガスが蛇行する領域や、カソードオフガスの出口近傍の領域では、水(生成水、および、加湿空気中の水分)が滞留しやすくなる。このため、膜電極接合体110の周縁の、ガスが蛇行する領域や、カソードオフガスの出口近傍の領域は、他の領域よりも高温高湿になりやすく、撥水層の撥水性が低下しやすくなる。
As shown in FIG. 2A, gas (humidified air and cathode off-gas) meanders and flows on the cathode side surface of the
そこで、本実施例では、図2(b)に示したように、膜電極接合体110の周縁の、ガスが蛇行する領域や、カソードオフガスの出口近傍の領域(領域A)、すなわち、高温高湿になりやすく撥水層の撥水性が低下しやすい領域に、カーボンの嵩密度が0.035(g/mL)である撥水層を形成し、領域A以外の領域(領域B)、すなわち、領域Aよりも高温高湿になりにくい領域に、カーボンの嵩密度が0.15(g/mL)である撥水層を形成した。撥水層116における領域A、および、領域Bは、それぞれ、本発明における第1の領域、および、第2の領域に相当する。撥水層116を上述した構成とした理由は、以下に説明する実験結果に基づく。
Therefore, in the present embodiment, as shown in FIG. 2B, the gas meandering region or the region near the cathode offgas outlet (region A), that is, the high temperature and high temperature, at the periphery of the
B.実験:
ガス拡散層118を構成するカーボンクロス上にカーボンの嵩密度がそれぞれ異なる撥水層(後述する撥水層1ないし撥水層4)を形成した試料を作製し、燃料電池における高温高湿環境を模擬して、これらに対して80(℃)の熱水処理を施したときの水の接触角、すなわち、撥水性の変化を調べた。撥水層1におけるカーボンの嵩密度は、0.042(g/mL)であり、撥水層2におけるカーボンの嵩密度は、0.035(g/mL)であり、撥水層3におけるカーボンの嵩密度は、0.24(g/mL)であり、撥水層4におけるカーボンの嵩密度は、0.15(g/mL)である。
B. Experiment:
A sample in which a water repellent layer (water repellent layer 1 to water repellent layer 4 described later) having different carbon bulk densities was formed on a carbon cloth constituting the
図3は、カーボンの嵩密度がそれぞれ異なる撥水層1ないし撥水層4に対して熱水処理を施したときの水の接触角の変化を示す説明図である。また、図4は、撥水層におけるカーボンの嵩密度と、熱水処理を45時間施したときの初期接触角からの低下との関係を示す説明図である。 FIG. 3 is an explanatory diagram showing a change in the contact angle of water when the hydrothermal treatment is performed on the water repellent layer 1 to the water repellent layer 4 having different carbon bulk densities. FIG. 4 is an explanatory diagram showing the relationship between the bulk density of carbon in the water repellent layer and the decrease from the initial contact angle when the hot water treatment is performed for 45 hours.
図3,4から分かるように、本実験によって、高温高湿環境に曝されたときの撥水層における撥水性の低下の度合いと、撥水層におけるカーボンの嵩密度との間には、有意な相関関係があり、撥水層におけるカーボンの嵩密度が高いほど撥水性の低下の度合いが大きくなることが分かった。また、撥水層におけるカーボンの嵩密度を0.035〜0.042(g/mL)とすることによって、撥水性の低下を抑制することができることが分かった。なお、高温高湿環境に曝されたときの撥水層における撥水性の低下の度合いと、撥水層におけるカーボンの比表面積との関係についても調べたが、これらの間には相関関係はなかった(例えば、撥水層1におけるカーボンの比表面積は、13(m2/g)であり、撥水層2におけるカーボンの比表面積は、50(m2/g)であり、撥水層3におけるカーボンの比表面積は、69(m2/g)であり、撥水層4におけるカーボンの比表面積は、800(m2/g)である)。 As can be seen from FIGS. 3 and 4, this experiment shows that there is a significant difference between the degree of reduction in water repellency in the water repellent layer when exposed to a high temperature and high humidity environment and the bulk density of carbon in the water repellent layer. It was found that the higher the bulk density of carbon in the water-repellent layer, the greater the degree of reduction in water repellency. Moreover, it turned out that the fall of water repellency can be suppressed by making the carbon bulk density in a water repellent layer into 0.035-0.042 (g / mL). The relationship between the degree of water repellency reduction in the water-repellent layer and the specific surface area of carbon in the water-repellent layer when exposed to a high-temperature and high-humidity environment was also investigated, but there was no correlation between these. (For example, the specific surface area of carbon in the water repellent layer 1 is 13 (m 2 / g), the specific surface area of carbon in the water repellent layer 2 is 50 (m 2 / g), and the water repellent layer 3 The specific surface area of carbon is 69 (m 2 / g), and the specific surface area of carbon in the water repellent layer 4 is 800 (m 2 / g).
以上の実験結果から、先に説明したように、撥水層116における領域A(図2参照)に、撥水性の低下の度合いが最も小さかった上記撥水層2を適用することとした。撥水層116における領域Aに、上記撥水層2の代わりに、例えば、上記撥水層1を適用するようにしてもよい。なお、本実施例において、撥水層116における領域B(図2参照)に撥水性が最も低い撥水層4を適用したのは、領域Bにおけるドライアップを抑制するためである。撥水層116における領域Bに、上記撥水層4の代わりに、例えば、上記撥水層3を適用するようにしてもよい。
From the above experimental results, as described above, the water repellent layer 2 having the smallest degree of decrease in water repellency was applied to the region A (see FIG. 2) in the
C.燃料電池の製造工程:
上述した燃料電池100は、以下に説明する製造工程によって製造される。図5は、燃料電池100の製造工程を示す説明図である。
C. Fuel cell manufacturing process:
The
まず、膜電極接合体110を作製する(ステップS100)。この工程では、電解質膜112の両面に、それぞれ、触媒インクを塗布して乾燥させることにより、触媒層114を形成する(ステップS100)。次に、ガス拡散層118を構成するガス拡散層基材(例えば、カーボンクロス)の表面における領域A、および、領域Bに、それぞれ、カーボンと撥水材と溶剤とを調合した溶液を塗布して乾燥させることにより、撥水層116を形成する(ステップS104)。そして、これらを、触媒層114とガス拡散層118との間に撥水層116が介装されるように重ね合わせてホットプレス接合する(ステップS106)。そして、このようにして作製された膜電極接合体110の両面をアノード側セパレータ120、および、カソード側セパレータ130によって挟持することによって、燃料電池100を製造することができる。
First, the
D.比較例、および、実施例の効果:
図6は、本実施例の燃料電池100と比較例の燃料電池とに対して耐久試験を行った後の発電特性を示す説明図である。比較例1、および、比較例2の燃料電池の構成は、膜電極接合体が備える撥水層の構成が本実施例と異なっていること以外は本実施例の燃料電池100の構造と同じである。すなわち、比較例1の燃料電池では、本実施例の燃料電池100における撥水層116の領域Bに適用したカーボンの嵩密度を、撥水層全面に適用している。また、比較例2の燃料電池では、本実施例の燃料電池100における撥水層116の領域Aに適用したカーボンの嵩密度を、撥水層全面に適用している。
D. Effects of Comparative Examples and Examples:
FIG. 6 is an explanatory diagram showing power generation characteristics after performing an endurance test on the
図から分かるように、比較例1の燃料電池よりも比較例2の燃料電池の方が耐久試験後の発電特性に優れている。また、比較例2の燃料電池よりも本実施例の燃料電池100の方が耐久試験後の発電特性に優れている。比較例1の燃料電池よりも比較例2の燃料電池の方が発電特性に優れているのは、比較例2の燃料電池において、撥水層の撥水性の低下が抑制されたためである。また、比較例2の燃料電池よりも本実施例の燃料電池100の方が発電特性に優れているのは、本実施例の燃料電池100において、撥水層116の領域Bにおけるドライアップが抑制されたためである。
As can be seen from the figure, the fuel cell of Comparative Example 2 is superior to the fuel cell of Comparative Example 1 in power generation characteristics after the durability test. Further, the
以上説明したように、本実施例の燃料電池100によれば、膜電極接合体110が備える撥水層116の撥水性の経時的な低下による発電性能の低下を抑制することができる。
As described above, according to the
E.変形例:
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明はこのような実施の形態になんら限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内において種々なる態様での実施が可能である。例えば、以下のような変形が可能である。
E. Variations:
Although the embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited to such embodiments, and can be implemented in various modes without departing from the scope of the present invention. For example, the following modifications are possible.
E1.変形例1:
図7は、変形例の燃料電池が備える膜電極接合体110Aにおける撥水層116Aについて示す説明図である。図7(a)に、膜電極接合体110Aをアノード側から見たときの、膜電極接合体110Aのカソード側の表面におけるガスの流れを模式的に示した。また、図7(b)に、膜電極接合体110Aのカソード側の撥水層116Aの構成を示した。
E1. Modification 1:
FIG. 7 is an explanatory view showing the water-
変形例の燃料電池の構成は、先に説明した燃料電池100の構成とほぼ同じである。ただし、変形例の燃料電池では、燃料電池100と異なり、膜電極接合体110Aの表面をガスがストレートに流れるように、アノード側セパレータ、および、カソード側セパレータに、ガス流路が形成されている(図7(a)参照)。これに伴い、図7(b)に示したように、撥水層116Aにおける領域Aと領域Bとの配置が、撥水層116と異なっている。そして、撥水層116Aにおける領域A、および、領域Bには、それぞれ、撥水層116における領域A、および、領域Bと同じカーボンの嵩密度を有する撥水層が形成される。
The configuration of the fuel cell of the modification is almost the same as the configuration of the
以上説明した変形例の燃料電池によっても、先に説明した実施例の燃料電池100と同様に、膜電極接合体110Aが備える撥水層116Aの撥水性の経時的な低下による発電性能の低下を抑制することができる。
Even in the fuel cell of the modified example described above, similarly to the
E2.変形例2:
上記実施例では、撥水層116において、高温高湿環境に曝されて撥水性が比較的低下しやすい領域Aに、撥水性が比較的低下しにくい撥水層を適用し、撥水性が比較的低下しにくい領域Bに、撥水性が比較的低下しやすい撥水層を適用するものとしたが、本発明は、これに限られない。本発明は、一般に、撥水層116が、カーボンの嵩密度が0.010〜0.042(g/mL)である領域を有していればよく、例えば、領域Bにおいてドライアップのおそれがない場合には、領域Bにも撥水性の低下を抑制可能な撥水層を形成するようにしてもよい。
E2. Modification 2:
In the above embodiment, in the
E3.変形例3:
上記実施例では、アノード側の撥水層116と、カソード側の撥水層116との双方に本発明の撥水層を適用するものとしたが、本発明は、これに限られない。ただし、上記生成水はカソード側で生成され、カソード側の方がアノード側よりも高温高湿になりやすいので、少なくともカソード側に適用するようにすることが好ましい。
E3. Modification 3:
In the above embodiment, the water-repellent layer of the present invention is applied to both the anode-side water-
E4.変形例4:
上記実施例では、燃料電池100の製造工程における膜電極接合体110の作製工程において、ガス拡散層118の表面に撥水層116を形成するものとしたが、本発明は、これに限られない。ガス拡散層118の表面に撥水層116を形成する代わりに、触媒層114の表面に撥水層116を形成するものもとしてもよいし、触媒層114の表面とガス拡散層118の表面との双方に撥水層116を形成するようにしてもよい。
E4. Modification 4:
In the above embodiment, the water-
100…燃料電池
110,110A…膜電極接合体
112…電解質膜
114…触媒層
116,116A…撥水層
118…ガス拡散層
120…アノード側セパレータ
122…溝部
130…カソード側セパレータ
132…溝部
DESCRIPTION OF
Claims (5)
前記撥水層は、前記カーボンの嵩密度が0.010〜0.042(g/mL)である第1の領域を有する、
燃料電池。 A fuel cell comprising a membrane electrode assembly in which a catalyst layer, a water repellent layer containing carbon and a water repellent material, and a gas diffusion layer are arranged in this order on the surface of the electrolyte membrane,
The water repellent layer has a first region in which the carbon has a bulk density of 0.010 to 0.042 (g / mL).
Fuel cell.
前記第1の領域は、前記膜電極接合体の周縁領域と、ガスの出口近傍に対応する領域と、ガスが他の領域よりも滞留しやすい領域とのうちの少なくとも1つを含む、
燃料電池。 The fuel cell according to claim 1, wherein
The first region includes at least one of a peripheral region of the membrane electrode assembly, a region corresponding to the vicinity of a gas outlet, and a region in which gas is likely to stay than other regions.
Fuel cell.
前記撥水層は、さらに、前記カーボンの嵩密度が0.042(g/mL)よりも高い第2の領域を有する、
燃料電池。 The fuel cell according to claim 1 or 2,
The water repellent layer further has a second region in which the bulk density of the carbon is higher than 0.042 (g / mL).
Fuel cell.
前記撥水層は、前記膜電極接合体におけるアノード側、および、カソード側のうちの少なくともカソード側に形成されている、
燃料電池。 A fuel cell according to any one of claims 1 to 3,
The water repellent layer is formed on at least the cathode side of the anode side and the cathode side in the membrane electrode assembly,
Fuel cell.
膜電極接合体を作製する工程と、
前記膜電極接合体の両面をセパレータによって挟持する工程と、を備え、
前記膜電極接合体を作製する工程は、
電解質膜の表面に触媒層を形成する触媒層形成工程と、
ガス拡散層を構成するガス拡散層基材の表面、および、前記触媒層の表面の少なくとも一方に、カーボンおよび撥水材を含む撥水層を形成する撥水層形成工程と、
前記触媒層と前記ガス拡散層との間に前記撥水層が介装されるように各部材を重ね合わせて接合する接合工程と、を含み、
前記撥水層形成工程は、
少なくとも一部の領域に、前記カーボンの嵩密度が0.010〜0.042(g/mL)である撥水層を形成する工程を含む、
製造方法。 A fuel cell manufacturing method comprising:
Producing a membrane electrode assembly;
Sandwiching both surfaces of the membrane electrode assembly with a separator, and
The step of producing the membrane electrode assembly includes
A catalyst layer forming step of forming a catalyst layer on the surface of the electrolyte membrane;
A water repellent layer forming step of forming a water repellent layer containing carbon and a water repellent material on at least one of the surface of the gas diffusion layer substrate constituting the gas diffusion layer and the surface of the catalyst layer;
A bonding step of overlapping and bonding each member so that the water repellent layer is interposed between the catalyst layer and the gas diffusion layer,
The water repellent layer forming step includes
Forming a water repellent layer having a bulk density of carbon of 0.010 to 0.042 (g / mL) in at least a part of the region;
Production method.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2008145929A JP2009295342A (en) | 2008-06-03 | 2008-06-03 | Fuel cell and method of manufacturing fuel cell |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2008145929A JP2009295342A (en) | 2008-06-03 | 2008-06-03 | Fuel cell and method of manufacturing fuel cell |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2009295342A true JP2009295342A (en) | 2009-12-17 |
Family
ID=41543358
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2008145929A Pending JP2009295342A (en) | 2008-06-03 | 2008-06-03 | Fuel cell and method of manufacturing fuel cell |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2009295342A (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2016535398A (en) * | 2013-10-30 | 2016-11-10 | コミサリア ア レネルジ アトミク エ オウ エネルジ アルタナティヴ | Fuel cell with optimized operation along the air flow path |
-
2008
- 2008-06-03 JP JP2008145929A patent/JP2009295342A/en active Pending
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2016535398A (en) * | 2013-10-30 | 2016-11-10 | コミサリア ア レネルジ アトミク エ オウ エネルジ アルタナティヴ | Fuel cell with optimized operation along the air flow path |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP4956870B2 (en) | Fuel cell and fuel cell manufacturing method | |
JP2008508679A (en) | End-protected catalyst-coated diffusion medium and membrane electrode assembly | |
JP4493954B2 (en) | Polymer electrolyte membrane-electrode assembly and polymer electrolyte fuel cell using the same | |
JP2008159320A (en) | Membrane electrode assembly | |
JP2007066567A (en) | Fuel cell and resin frame | |
JP5294550B2 (en) | Membrane electrode assembly and fuel cell | |
JP2010073586A (en) | Electrolyte membrane-electrode assembly | |
JP2010061966A (en) | Polymer electrolyte fuel cell | |
JP2007087728A (en) | Laminate, method of manufacturing it, as well as fuel cell | |
JP5029897B2 (en) | Fuel cell | |
JP2008071633A (en) | Solid polymer electrolyte fuel cell | |
JP2009295342A (en) | Fuel cell and method of manufacturing fuel cell | |
JP2010003470A (en) | Fuel cell | |
JP2008041348A (en) | Polymer electrolyte fuel cell and its manufacturing method | |
JP2015079639A (en) | Electrolyte membrane/electrode structure | |
JP2007123146A (en) | Cathode for fuel cell and method of manufacturing same | |
JP2006012449A (en) | Membrane electrode junction body and solid polymer fuel cell using above | |
JP6981883B2 (en) | Fuel cell aging method | |
JP2010232083A (en) | Fuel cell | |
JP2010146765A (en) | Assembly for fuel cell, fuel cell, and manufacturing method of them | |
JP2002025565A (en) | Electrode for high polymer molecule electrolyte fuel cells and its manufacturing process | |
JP2008041352A (en) | Gas diffusion layer and fuel cell | |
JP2008262715A (en) | Cell for fuel battery | |
JP2008146897A (en) | Fuel cell separator, and fuel cell | |
JP2007005222A (en) | Fuel cell and separator for fuel cell |