JP2010061984A - ガス拡散層、燃料電池、および燃料電池の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】燃料電池の空気極に設けられ、集積された基材を有するガス拡散層であって、集積方向における前記基材の表面の濡れ性が変化していること、を特徴とするガス拡散層が提供される。また、燃料が供給される燃料極と、酸化剤が供給される空気極と、前記燃料極と前記空気極とに挟まれるようにして設けられた高分子固体電解質膜と、を備え、前記空気極は、上記のガス拡散層を有すること、を特徴とする燃料電池が提供される。
【選択図】図1
Description
しかしながら、空孔の平均孔径と厚みを変えるだけでは適切な排水性と保湿性を確保することが困難となるおそれがあった。また、排水性と保湿性とが不安定となるおそれもあった。
図1は、第1の実施の形態に係るガス拡散層について例示をするための模式図である。 まず、ガス拡散層1の排水性と保湿性について例示をする。
後述するように、燃料電池の一種である直接メタノール形燃料電池3(図4を参照)は、燃料極側に燃料(メタノール)を供給し、高分子固体電解質膜5近傍の触媒層6において燃料(メタノール)と水(H2O)とを反応させて、プロトン(H+)と電子(e−)とを取り出している。この際、空気極(カソード極)の触媒層4においては水が生成される。
また、外気中から取り込まれた酸化剤である酸素をガス拡散層1で拡散して触媒層4に到達させるために、ガス拡散層1には、気体(酸素)の透過経路となる空孔が設けられている。
そのため、ガス拡散層1には、過剰な水を排水(蒸散)させるという排水性が求められる。
そのため、ガス拡散層1には、適度な水を保持することで燃料極(アノード極)側に水を供給するとともに高分子固体電解質膜5を適度に湿潤させるという保湿性が求められる。
この場合、領域1bの濡れ性が、領域1aの濡れ性よりも高くなるようにすることができる。
例えば、高分子固体電解質膜5や燃料極(アノード極)の触媒層6に近い領域1bの濡れ性を高くすることで水の保持力を強めてこの部分の保湿性を高め、外気に近い領域1aの濡れ性を低くすることで水の保持力を弱めてこの部分の排水性を高めるようにすることができる。すなわち、触媒層4に設けられる側(領域1b)の濡れ性が、酸化剤である酸素が供給される側(領域1a)の濡れ性よりも高くなるようにすることができる。
例えば、領域1aの濡れ性を低くし、領域1bの濡れ性を高くする場合を例示したが、領域1aの濡れ性を高くし、領域1bの濡れ性を低くした方が好ましい場合もあり得る。
すなわち、集積された基材(例えば、カーボンブラックなど)を有するガス拡散層であって、集積方向(厚み方向)における基材の表面の濡れ性が変化しているようにすればよい。この場合、ガス拡散層を複数の層からなるものとする場合には、基材(例えば、カーボンブラックなど)が複数の層ごとに集積され、各層ごとに濡れ性が変化しているようにすればよい。
ここで、ガス拡散層1の基材としては、例えば、チャネルブラック、ファーネスブラック、ランプブラック、サーマルブラック、アセチレンブラックなどのカーボンブラック(工業的に品質制御して製造された炭素の微粒子)を例示することができる。なお、カーボンブラックは、前述のものに限定されるわけではなく、適宜変更することができる。また、ガス拡散層1の基材はカーボンブラックに限定されるわけではなく、例えば、カーボンファイバーにするなど適宜変更することができる。
この場合、基材の表面(例えば、カーボンブラックの表面)に撥水性物質を付着させ、その付着量により濡れ性を変化させることができる。例えば、撥水性物質の付着量を多くすれば撥水性が高まるので濡れ性を低下させることができる。一方、撥水性物質の付着量を少なくすれば撥水性が高まることを抑制することができるので濡れ性の低下を抑制することができる。
図2は、第2の実施の形態に係るガス拡散層について例示をするための模式図である。 図2に示すように、ガス拡散層10の厚み方向には、濡れ性が異なる領域10aと領域10bとが積層されるようにして設けられている。また、ガス拡散層10は、後述する空気極(カソード極)側の触媒層4の表面に設けられ、触媒層4は、高分子固体電解質膜5の表面に設けられている。また、ガス拡散層10の厚み寸法、基材の材質、濡れ性を変化させる方法などは、ガス拡散層1の場合と同様とすることができる。
また、領域10bにおける保湿性を高めに設定する場合には、領域10bにおける基材の粒径を2μm未満とすることができる。2μm以上とすれば、排水性が高くなりすぎて適切な保湿性を得られなくなるおそれがあるからである。
また、カーボンブラック表面に撥水性物質を付着させ、その付着量により濡れ性を変化させるようにしている。そして、撥水性物質をポリテトラフルオロエチレン(PTFE)とし、濡れ性は水に対する接触角で表すことにした。
この場合、領域10aと領域10bとが同じ接触角とされているので、気体の透過性の影響が大きくなる。そのため、カーボンブラックの粒径の均一性や分布の均一性などの影響を受けやすくなり、生成された水が存在する領域や水量が不安定となるおそれがある。
一方、領域10bは濡れ性が高く(撥水性が低く)、気体の透過性が低くなる。また、毛細管現象による水の保持力も強くなる。そのため、領域10bにおける保湿性が高くなることになる。
図3(b)に例示をしたものの場合は、排水性、保湿性に対して同様の効果を有する濡れ性と気体の透過性との組合せとなる。そのため、それぞれの効果が足し合わされることになり、領域10aはより排水性が高く、領域10bはより保湿性が高くなる。
一方、領域10bは濡れ性は低く(撥水性が高く)なるが、気体の透過性は低くなる。また、毛細管現象による水の保持力が強くなる。
図3(c)に例示をしたものの場合は、排水性、保湿性に対して相反する効果を有する濡れ性と気体の透過性との組合せとなる。そのため、それぞれの効果が打ち消し合う方向に作用することになる。なお、図3(c)に例示をしたものの組合せにおいては、領域10bにおける排水性が勝り、生成された水が領域10a側に押し出されたものと考えられる。
図4は、本実施の形態に係る燃料電池について例示をするための模式図である。
なお、一例として、メタノールを燃料とする直接メタノール形燃料電池(DMFC:Direct Methanol Fuel Cell)の場合を例にとって説明をする。
なお、燃料極の触媒層6、空気極の触媒層4に含まれる触媒は、炭素材料のような導電性担持体を使用する担持触媒、あるいは無担持触媒としてもよい。
この場合、高分子固体電解質膜5は、多孔質材料からなる膜の貫通孔や無機材料からなる膜に設けられた開孔などに高分子固体電解質材料を充填させたものとすることもできるし、高分子固体電解質材料からなる膜とすることもできる。
また、空気極の触媒層4の表面に設けられた本実施の形態に係るガス拡散層1は、触媒層4に酸素を均一に供給する役割を果たすとともに、触媒層4生成された水の透過の程度を制御する役割(排水性、保湿性を制御する役割)をも果たす。
この気液分離膜9は、液体燃料タンク13に設けられた液体燃料の気化成分を導出するための図示しない開口を塞ぐように配設されている。気液分離膜9は、燃料の気化成分と、液体燃料とを分離し、さらに液体燃料を気化させるもので、例えば、シリコーンゴムなどの材料で構成されたものを例示することができる。
液体燃料タンク13内のメタノール水溶液(液体燃料)が気化し、それにより発生した気化したメタノールと水蒸気との混合気が、気液分離膜9を透過する。そして、混合気は、さらに導電層8を通過し、ガス拡散層7で拡散されて触媒層6に供給される。触媒層6に供給された混合気は、次の式(1)に示す酸化反応を生じる。
CH3OH+H2O → CO2+6H++6e− …(1)
なお、液体燃料として、純メタノールを使用した場合には、液体燃料タンク13からの水蒸気の供給がないため、空気極の触媒層4で生成された水や高分子固体電解質膜5中の水などとメタノールとで前述の式(1)の酸化反応を生じることになる。
(3/2)O2+6H++6e− → 3H2O …(2)
この反応によって空気極の触媒層4中で生成された水の一部は、ガス拡散層1に透過して、ガス拡散層1の内部で気液平衡の状態となる。そして、気体となった水はカバー11の図示しない空気導入口から蒸散される。また、液体としての水は、空気極の触媒層4中に残留する。
その結果、浸透圧現象によって、空気極の触媒層4で生成された水が、高分子固体電解質膜5を通過して燃料極の触媒層6に移動する。そのため、燃料極の触媒層6への水分の供給を液体燃料タンク13から気化した水蒸気のみに頼る場合に比べて、水分の供給が促され、前述した式(1)の反応を促進させることができる。これによって、出力密度を高くすることができるとともに、その高い出力密度を長期間に亘り維持することが可能となる。
図5は、本実施の形態に係る燃料電池の製造方法について例示をするためのフローチャートである。
そして、この多孔質材料膜に高分子固体電解質を充填して、高分子固体電解質膜5を作成する(ステップS1)。高分子固体電解質を充填する方法としては、多孔質材料膜を電解質溶液中に浸漬させ、これを引き上げて乾燥させ、溶媒を除去する方法を例示することができる。電解質溶液としてはナフィオン(登録商標、デュポン社製)溶液を例示することができる。なお、高分子固体電解質膜5を高分子電解質材料からなる膜としてもよい。その場合は、多孔質材料膜の作成や高分子固体電解質の充填は不要となる。
まず、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)などの撥水性物質を含み、水とアルコール系溶媒からなる溶液中に、所定の大きさの基材(例えば、所定の粒径のカーボンブラック)を分散させることにより、混合溶液を生成する。
例えば、排水性を高める場合には、所定の範囲内において大きな基材を選定し、またポリテトラフルオロエチレン(PTFE)などの撥水性物質の含有量を多くするようにする。また、保湿性を高める場合には、所定の範囲内小さな基材を選定し、またポリテトラフルオロエチレン(PTFE)などの撥水性物質の含有量を少なくするようにする。
この際、必要な排水性、保湿性が得られるように基材の大きさや撥水性物質の含有量を変えたものを順次塗布するようにする。また、濡れ性、気体の透過性を漸次変化させる場合には、基材の大きさや撥水性物質の含有量を少しずつ変えたものを塗布するようにすればよい。また、濡れ性、気体の透過性を段階的に変化させる場合には、基材の大きさや撥水性物質の含有量を段階的に変えたものを順次塗布するようにすればよい。
すなわち、撥水性物質の含有量を変化させることで、ガス拡散層の厚み方向における基材の表面の濡れ性を変化させるようにすればよい。また、基材の大きさを変化させることで、ガス拡散層の厚み方向における気体の透過性を変化させるようにすればよい。
なお、塗布と乾燥させる工程を複数回繰り返すようにすることもできる。
最後に、これを適宜ケースに収納するなどして燃料電池3を形成させる(ステップS7)。
前述の実施の形態に関して、当業者が適宜設計変更を加えたものも、本発明の特徴を備えている限り、本発明の範囲に包含される。
例えば、前述した燃料電池の各要素の形状、寸法、材質、配置などは、例示したものに限定されるわけではなく適宜変更することができる。
また、燃料についてもメタノールを例示したが、これに限定されるものではない。他の燃料としては、メタノールの他にも、エタノール、プロパノールなどのアルコール類、ジメチルエーテルなどのエーテル類、シクロヘキサンなどのシクロパラフィン類、水酸基、カルボキシル基、アミノ基、アミド基などの親水基を有するシクロパラフィン類などを例示することができる。なお、このような燃料は、通常5〜90重量%程度の水溶液として用いられる。
また、前述した各実施の形態が備える各要素は、可能な限り組み合わせることができ、これらを組み合わせたものも本発明の特徴を含む限り本発明の範囲に包含される。
Claims (10)
- 燃料電池の空気極に設けられ、集積された基材を有するガス拡散層であって、
集積方向における前記基材の表面の濡れ性が変化していること、を特徴とするガス拡散層。 - 前記基材の表面に付着した撥水性物質と、を有し、
前記撥水性物質の付着量により、前記濡れ性を変化させること、を特徴とする請求項1記載のガス拡散層。 - 前記基材は複数の層ごとに集積され、
前記層ごとに、前記濡れ性が変化していること、を特徴とする請求項1または2に記載のガス拡散層。 - 前記集積方向における気体の透過性が変化していること、を特徴とする請求項1〜3のいずれか1つに記載のガス拡散層。
- 前記基材を集積させることで形成された空孔の大きさにより、前記気体の透過性を変化させること、を特徴とする請求項1〜4のいずれか1つに記載のガス拡散層。
- 触媒層に設けられる側の濡れ性が、酸化剤が供給される側の濡れ性よりも高いこと、を特徴とする請求項1〜5のいずれか1つに記載のガス拡散層。
- 触媒層に設けられる側の気体の透過性が、酸化剤が供給される側の気体の透過性よりも低いこと、を特徴とする請求項1〜6のいずれか1つに記載のガス拡散層。
- 燃料が供給される燃料極と、
酸化剤が供給される空気極と、
前記燃料極と前記空気極とに挟まれるようにして設けられた高分子固体電解質膜と、
を備え、
前記空気極は、請求項1〜7のいずれか1つに記載のガス拡散層を有すること、を特徴とする燃料電池。 - 撥水性物質を含み、水とアルコール系溶媒からなる溶液中に、基材を分散させることで混合溶液を生成し、前記混合液を触媒層に塗布し、乾燥させることで、ガス拡散層を形成させる燃料電池の製造方法であって、
前記撥水性物質の含有量を変化させることで、前記ガス拡散層の厚み方向における前記基材の表面の濡れ性を変化させること、を特徴とする燃料電池の製造方法。 - 前記基材の大きさを変化させることで、前記ガス拡散層の厚み方向における気体の透過性を変化させること、を特徴とする請求項9記載の燃料電池の製造方法。
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