JP2013140813A - 燃料電池 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】電解質膜と、前記電解質膜の一方の面に配置された、カソード触媒層およびカソードガス拡散層を含むカソードガス拡散電極と、前記電解質膜の他方の面に配置された、アノード触媒層およびアノードガス拡散層を含むアノードガス拡散電極と、を有する電解質膜−電極接合体ならびに電解質膜−電極接合体の外側に配置されるセパレータを含む燃料電池の製造方法であって、前記カソードガス拡散層および前記アノードガス拡散層の少なくとも一方のいずれかの表面を研磨する工程を含む、燃料電池の製造方法。
【選択図】なし
Description
本発明の燃料電池のガス拡散層の表面は、毛羽立ち状に突出した部位が従来のガス拡散層と比較して少ない。従来のガス拡散層の毛羽立ち状に突出した繊維端部の本数は、単位面積あたり、7500本/cm2程度である。これに対し、本発明の燃料電池のガス拡散層のアノードガス拡散層およびカソードガス拡散層の少なくとも一方のいずれかの表面のガス拡散層の毛羽立ち状に突出した繊維端部の本数が5000本/cm2以下である。好ましくは、2700本/cm2以下であり、より好ましくは2000本/cm2以下である。ガス拡散層の毛羽立ち状に突出した部位の数がかような範囲であると、隣接する部材との接触面積が増大するため、隣接する部材との接触抵抗が低減する。なお、ガス拡散層の毛羽立ち状に突出した部位の数の下限は、接触抵抗の点からは、少なければ少ないほどよい。なお、本発明において、単位面積あたりでの上記範囲の毛羽立ち状に突出した繊維端部の本数は、ガス拡散層のアノードガス拡散層およびカソードガス拡散層の少なくとも一方で満たされていればよい。しかしながら、本発明の効果が顕著に得られることから、アノードガス拡散層およびカソードガス拡散層の双方のいずれかの表面が、上記範囲の毛羽立ち状に突出した繊維端部の本数であることが好ましい。
本発明のガス拡散層の製造方法は、特に限定されるものではないが、材料となるガス拡散層表面を研磨により加工して得ることが好ましい。上述したように、ガス拡散層は好適には多孔質基材を含むが、多孔質基材は繊維を含み、該繊維が毛羽立ち状となってガス拡散層表面に存在している。この毛羽立ち状の繊維の存在により、隣接する部材との接触面積が減少し、隣接する部材(触媒層、セパレータ)との間の接触抵抗が増大していた。ガス拡散層表面を研磨することにより、この毛羽立ち状の繊維が研磨され、表面から突出した状態の繊維が減少するため、隣接する部材と、ガス拡散層との接触面積が増大し、接触抵抗が低減する。また、研磨という安価な機械加工法を用いるため、コストの低減が実現でき、ガス拡散層の上に別途、蒸着層などの他の層を設ける場合等と比較して、簡便であり、特段大掛かりな設備を必要とするものでもない。さらに、毛羽立ちの低減方法が研磨であることから、簡易な研磨装置や材料を用いて、毛羽立ちの低減に要する研磨条件を簡単かつ詳細に設定することができる。ガス拡散層表面に存在する毛羽立ちは、深さ方向に非常に小さな範囲で存在するため、研磨のように細かく表面を改質できる方法が毛羽立ちの低減方法としては適切である。また、繊維を引き抜いて突出を除去することも考えられるが、繊維を完全に引き抜くことは困難であり、表面に突出した繊維が残りやすいが、これと比較して、研磨の場合にはガス拡散層表面が平滑になりやすい。
電解質膜は、イオン交換樹脂から構成され、PEFCの運転時にアノード側触媒層で生成したプロトンを膜厚方向に沿ってカソード側触媒層へと選択的に透過させる機能を有する。本発明の電解質膜は、固体高分子電解質膜であると特に好ましい。また、高分子電解質膜は、アノード側に供給される燃料ガスとカソード側に供給される酸化剤ガスとを混合させないための隔壁としての機能をも有する。
触媒層は、実際に反応が進行する層である。具体的には、アノード側触媒層では水素の酸化反応が進行し、カソード側触媒層では酸素の還元反応が進行する。触媒層は、触媒成分、触媒成分を担持する導電性担体、およびプロトン伝導性の高分子電解質を含む。
ガスケットは、1対のガス拡散電極を包囲するようにPEFCの周囲に配置され、触媒層に供給されたガスが外部にリークするのを防止する機能を有する。
MEAは、セパレータで挟持されてPEFCの単セルを構成する。PEFCは、単セルが複数個直列に接続されてなるスタック構造を有するのが一般的である。この際、セパレータは、各MEAを直列に電気的に接続する機能に加えて、燃料ガスおよび酸化剤ガス並びに冷媒といった異なる流体を流す流路やマニホールドを備え、さらにはスタックの機械的強度を保つといった機能をも有する。
12 電解質膜、
13 アノード触媒層、
14 アノードガス拡散層、
15 カソード触媒層、
16 カソードガス拡散層、
17 カソード側セパレータ、
18 アノード側セパレータ、
19 酸化剤ガス流路、
20 燃料ガス流路、
21 ガスケット。
Claims (4)
- 電解質膜と、前記電解質膜の一方の面に配置された、カソード触媒層およびカソードガス拡散層を含むカソードガス拡散電極と、前記電解質膜の他方の面に配置された、アノード触媒層およびアノードガス拡散層を含むアノードガス拡散電極と、を有する電解質膜−電極接合体ならびに電解質膜−電極接合体の外側に配置されるセパレータを含む燃料電池の製造方法であって、
前記カソードガス拡散層および前記アノードガス拡散層の少なくとも一方のいずれかの表面を研磨する工程を含む、燃料電池の製造方法。 - 前記ガス拡散層が、多孔質基材を含み、前記多孔質基材が、カーボン繊維もしくは金属繊維から成るクロス、不織布またはペーパ材である、請求項1に記載の燃料電池の製造方法。
- 研磨するガス拡散層の面がセパレータと接する面である、請求項1または2に記載の燃料電池の製造方法。
- 前記研磨するガス拡散層が撥水剤を含むカーボン粒子の集合体からなるカーボン粒子層を触媒層側に有する、請求項3に記載の燃料電池の製造方法。
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