JP2016081770A - Gas diffusion layer for fuel battery and fuel battery - Google Patents

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敬一 近藤
Keiichi Kondo
敬一 近藤
勉 川島
Tsutomu Kawashima
川島  勉
真一郎 井村
Shinichiro Imura
真一郎 井村
庄司 昌史
Masashi Shoji
昌史 庄司
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a gas diffusion layer for fuel battery capable of improving both of conductivity and durability.SOLUTION: The gas diffusion layer for fuel battery includes: porous layers 22 and 42 which contain at least one conductive material selected from a group including an aluminum carbide (AlC), a titanium nitride (TiN), a zirconium nitride (ZrN), and a foam metal coated with a material having a corrosion resistance property.SELECTED DRAWING: Figure 2

Description

本発明は、燃料電池用ガス拡散層と、燃料電池用ガス拡散層を有する燃料電池とに関する。   The present invention relates to a fuel cell gas diffusion layer and a fuel cell having a fuel cell gas diffusion layer.

燃料電池は、水素と酸素とから電気エネルギーを発生させる装置であり、高い発電効率を得ることができる。燃料電池の主な特徴としては、従来の発電方式のように熱エネルギーや運動エネルギーの過程を経ることがない直接発電であるので、小規模でも高い発電効率が期待できること、窒素化合物等の排出が少なく、騒音や振動も小さいので環境性が良いことなどが挙げられる。このように、燃料電池は燃料のもつ化学エネルギーを有効に利用でき、環境にやさしい特性を備えるため、21世紀を担うエネルギー供給システムとして期待され、宇宙用から自動車用、携帯機器用まで、また大規模発電から小規模発電まで、種々の用途に使用できる将来有望な新しい発電システムとして注目され、実用化に向けて技術開発が本格化している。   A fuel cell is a device that generates electrical energy from hydrogen and oxygen, and can achieve high power generation efficiency. The main features of the fuel cell are direct power generation that does not go through the process of thermal energy or kinetic energy as in the conventional power generation method, so high power generation efficiency can be expected even on a small scale, and emissions of nitrogen compounds, etc. There are few, and noise and vibration are also small, and environmental properties are good. In this way, fuel cells can be used effectively for the chemical energy of fuel and have environmentally friendly characteristics, so they are expected as energy supply systems for the 21st century, and are widely used in space, automobiles and portable devices. It is attracting attention as a promising new power generation system that can be used for various applications from scale power generation to small-scale power generation, and technological development is in full swing toward practical use.

特許文献1には、高分子電解質膜の両面に触媒層、ガス拡散層、及びセパレータが順に積層された燃料電池が開示されている。当該燃料電池のガス拡散層は、導電性カーボンシートで構成され、セパレータと当接する表面に流体流路を有する。   Patent Document 1 discloses a fuel cell in which a catalyst layer, a gas diffusion layer, and a separator are sequentially laminated on both surfaces of a polymer electrolyte membrane. The gas diffusion layer of the fuel cell is made of a conductive carbon sheet, and has a fluid flow path on the surface in contact with the separator.

国際公開第11/045889号パンフレットInternational Publication No. 11/045889 Pamphlet

燃料電池の性能向上を図るために、燃料電池のガス拡散層には導電性の向上が求められる。また、燃料電池には耐久性を向上したいという要求もあり、したがってガス拡散層にも耐久性の向上が求められる。ガス拡散層の導電性を向上させるためにガス拡散層に金属を用いることが考えられるが、この場合にはガス拡散層の耐久性が低下するおそれがあった。   In order to improve the performance of the fuel cell, the gas diffusion layer of the fuel cell is required to have improved conductivity. In addition, there is a demand for improving the durability of the fuel cell, and hence the durability of the gas diffusion layer is also required. In order to improve the electroconductivity of a gas diffusion layer, it is possible to use a metal for a gas diffusion layer, However In this case, there existed a possibility that the durability of a gas diffusion layer might fall.

本発明はこうした状況に鑑みてなされたものであり、その目的は、燃料電池用ガス拡散層における導電性の向上と耐久性の向上との両立を図る技術を提供することにある。   The present invention has been made in view of such a situation, and an object thereof is to provide a technique for achieving both improvement in conductivity and improvement in durability in a gas diffusion layer for a fuel cell.

本発明のある態様は、燃料電池用ガス拡散層である。当該燃料電池用ガス拡散層は、炭化アルミニウム(Al)、窒化チタン(TiN)、窒化ジルコニウム(ZrN)、及び耐腐食性材料で被覆された発泡金属からなる群から選択される少なくとも1つの導電性材料を含有する多孔質層を備える。 One embodiment of the present invention is a gas diffusion layer for a fuel cell. The fuel cell gas diffusion layer is at least one selected from the group consisting of aluminum carbide (Al 4 C 3 ), titanium nitride (TiN), zirconium nitride (ZrN), and foam metal coated with a corrosion-resistant material. A porous layer containing two conductive materials.

本発明の他の態様は、燃料電池である。当該燃料電池は、電解質膜、電解質膜の一方の面側に配置されるアノード触媒層、及び電解質膜の他方の面側に配置されるカソード触媒層で構成される膜電極接合体と、膜電極接合体のアノード触媒層側に配置されるアノードガス拡散層と、膜電極接合体のカソード触媒層側に配置されるカソードガス拡散層と、を備える。アノードガス拡散層及びカソードガス拡散層の少なくとも一方は、上記態様の燃料電池用ガス拡散層で構成される。   Another embodiment of the present invention is a fuel cell. The fuel cell includes a membrane electrode assembly including an electrolyte membrane, an anode catalyst layer disposed on one surface side of the electrolyte membrane, and a cathode catalyst layer disposed on the other surface side of the electrolyte membrane, and a membrane electrode An anode gas diffusion layer disposed on the anode catalyst layer side of the assembly, and a cathode gas diffusion layer disposed on the cathode catalyst layer side of the membrane electrode assembly. At least one of the anode gas diffusion layer and the cathode gas diffusion layer is constituted by the fuel cell gas diffusion layer of the above aspect.

本発明によれば、燃料電池用ガス拡散層における導電性の向上と耐久性の向上との両立を図る技術を提供することができる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the technique which aims at coexistence with the improvement of electroconductivity and durability in the gas diffusion layer for fuel cells can be provided.

実施の形態に係る燃料電池の構造を模式的に示す斜視図である。1 is a perspective view schematically showing the structure of a fuel cell according to an embodiment. 図1のA−A線に沿った概略断面図である。It is a schematic sectional drawing along the AA line of FIG. 燃料電池用ガス拡散層のライフ時間と抵抗率との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the lifetime of a gas diffusion layer for fuel cells, and resistivity.

以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。なお、すべての図面において、同様な構成要素には同様の符号を付し、適宜説明を省略する。また、実施の形態は、発明を限定するものではなく例示であって、実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In all the drawings, the same reference numerals are given to the same components, and the description will be omitted as appropriate. The embodiments do not limit the invention but are exemplifications, and all features and combinations thereof described in the embodiments are not necessarily essential to the invention.

図1は、実施の形態に係る燃料電池の構造を模式的に示す斜視図である。図2は、図1のA−A線に沿った概略断面図である。本実施の形態の燃料電池1は、略平板状の膜電極接合体10と、燃料電池用ガス拡散層としてのアノードガス拡散層20及びカソードガス拡散層40とを備える。以下、アノードガス拡散層20とカソードガス拡散層40とを区別しない場合には、まとめて燃料電池用ガス拡散層と称する。アノードガス拡散層20とカソードガス拡散層40とは、膜電極接合体10を挟んで互いの主表面が対向するように設けられる。また、アノードガス拡散層20及びカソードガス拡散層40それぞれの膜電極接合体10とは反対の主表面側には、セパレータ2,4が設けられる。本実施の形態では、一組の膜電極接合体10、アノードガス拡散層20及びカソードガス拡散層40を示すが、セパレータ2,4を介して複数組が積層され、燃料電池スタックが構成されてもよい。   FIG. 1 is a perspective view schematically showing the structure of a fuel cell according to an embodiment. FIG. 2 is a schematic cross-sectional view along the line AA in FIG. The fuel cell 1 of the present embodiment includes a substantially flat membrane electrode assembly 10 and an anode gas diffusion layer 20 and a cathode gas diffusion layer 40 as gas diffusion layers for a fuel cell. Hereinafter, when the anode gas diffusion layer 20 and the cathode gas diffusion layer 40 are not distinguished, they are collectively referred to as a fuel cell gas diffusion layer. The anode gas diffusion layer 20 and the cathode gas diffusion layer 40 are provided so that their main surfaces face each other with the membrane electrode assembly 10 interposed therebetween. In addition, separators 2 and 4 are provided on the main surface sides of the anode gas diffusion layer 20 and the cathode gas diffusion layer 40 opposite to the membrane electrode assemblies 10. In the present embodiment, a set of membrane electrode assemblies 10, an anode gas diffusion layer 20, and a cathode gas diffusion layer 40 are shown, but a plurality of sets are stacked via separators 2 and 4, thereby forming a fuel cell stack. Also good.

膜電極接合体10は、電解質膜12、電解質膜12の一方の面側に配置されるアノード触媒層14、及び電解質膜12の他方の面側に配置されるカソード触媒層16で構成される。   The membrane electrode assembly 10 includes an electrolyte membrane 12, an anode catalyst layer 14 disposed on one surface side of the electrolyte membrane 12, and a cathode catalyst layer 16 disposed on the other surface side of the electrolyte membrane 12.

電解質膜12は、湿潤状態において良好なイオン伝導性を示し、アノード触媒層14とカソード触媒層16との間でプロトンを移動させるイオン交換膜として機能する。電解質膜12は、例えば含フッ素重合体や非フッ素重合体等の固体高分子材料によって形成される。電解質膜12の材料としては、スルホン酸型パーフルオロカーボン重合体、ポリサルホン樹脂、ホスホン酸基又はカルボン酸基を有するパーフルオロカーボン重合体等を用いることができる。スルホン酸型パーフルオロカーボン重合体の例としては、ナフィオン(デュポン社製:登録商標)112等が挙げられる。非フッ素重合体の例としては、スルホン化された、芳香族ポリエーテルエーテルケトンやポリスルホン等が挙げられる。電解質膜12の厚さは、例えば10μm以上200μm以下である。   The electrolyte membrane 12 exhibits good ion conductivity in a wet state, and functions as an ion exchange membrane that moves protons between the anode catalyst layer 14 and the cathode catalyst layer 16. The electrolyte membrane 12 is formed of a solid polymer material such as a fluorine-containing polymer or a non-fluorine polymer. As a material of the electrolyte membrane 12, a sulfonic acid type perfluorocarbon polymer, a polysulfone resin, a perfluorocarbon polymer having a phosphonic acid group or a carboxylic acid group, or the like can be used. Examples of the sulfonic acid type perfluorocarbon polymer include Nafion (manufactured by DuPont: registered trademark) 112. Examples of the non-fluorine polymer include sulfonated aromatic polyetheretherketone and polysulfone. The thickness of the electrolyte membrane 12 is, for example, not less than 10 μm and not more than 200 μm.

アノード触媒層14及びカソード触媒層16は、それぞれイオン交換樹脂及び触媒粒子、場合によって触媒粒子を担持する炭素粒子を有する。アノード触媒層14及びカソード触媒層16が有するイオン交換樹脂は、触媒粒子と電解質膜12を接続し、両者間においてプロトンを伝達する役割を果たす。このイオン交換樹脂は、電解質膜12と同様の高分子材料から形成することができる。触媒粒子としては、Sc、Y、Ti、Zr、V、Nb、Fe、Co、Ni、Ru、Rh、Pd、Pt、Os、Ir、ランタノイド系列元素やアクチノイド系列の元素の中から選ばれる合金や単体といった触媒金属が挙げられる。また、炭素粒子としては、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、カーボンナノチューブ等を用いることができる。アノード触媒層14及びカソード触媒層16の厚さは、それぞれ、例えば10μm以上40μm以下である。   The anode catalyst layer 14 and the cathode catalyst layer 16 have ion exchange resin and catalyst particles, and optionally carbon particles supporting the catalyst particles. The ion exchange resin included in the anode catalyst layer 14 and the cathode catalyst layer 16 connects the catalyst particles and the electrolyte membrane 12 and plays a role of transmitting protons therebetween. This ion exchange resin can be formed from the same polymer material as the electrolyte membrane 12. Catalyst particles include Sc, Y, Ti, Zr, V, Nb, Fe, Co, Ni, Ru, Rh, Pd, Pt, Os, Ir, alloys selected from lanthanoid elements and actinoid elements, A catalytic metal such as a simple substance can be mentioned. As the carbon particles, acetylene black, ketjen black, carbon nanotubes and the like can be used. The thicknesses of the anode catalyst layer 14 and the cathode catalyst layer 16 are, for example, 10 μm or more and 40 μm or less, respectively.

アノードガス拡散層20は、膜電極接合体10のアノード触媒層14側に配置される。アノードガス拡散層20は、多孔質層22と、流体流路24とを有する。アノードガス拡散層20の厚さは、例えば50μm以上500μm以下である。   The anode gas diffusion layer 20 is disposed on the anode catalyst layer 14 side of the membrane electrode assembly 10. The anode gas diffusion layer 20 has a porous layer 22 and a fluid flow path 24. The thickness of the anode gas diffusion layer 20 is, for example, not less than 50 μm and not more than 500 μm.

多孔質層22は、炭化アルミニウム(Al)、窒化チタン(TiN)、窒化ジルコニウム(ZrN)、及び耐腐食性材料で被覆された発泡金属からなる群から選択される少なくとも1つの導電性材料を含有し、多数の微細な空孔を有する。多孔質層22は、好ましくは、当該導電性材料を主成分とする層である。多孔質層22の全質量に対する上述した導電性材料の質量は、好ましくは50質量%以上、より好ましくは80質量%以上である。 The porous layer 22 is at least one conductive selected from the group consisting of aluminum carbide (Al 4 C 3 ), titanium nitride (TiN), zirconium nitride (ZrN), and foam metal coated with a corrosion resistant material. Contains material and has a large number of fine pores. The porous layer 22 is preferably a layer mainly composed of the conductive material. The mass of the conductive material described above with respect to the total mass of the porous layer 22 is preferably 50% by mass or more, and more preferably 80% by mass or more.

Alは、カーボンアルミやアルミカーバイトとも称される。炭化アルミニウムは、例えばフィラー状や粒子状のものを用いることができる。TiN及びZrNは、例えば粒子状のものを用いることができる。発泡金属は、例えば発泡ウレタンシートの表面にNiめっき処理あるいはAlめっき処理が施された後、加熱によりウレタンが焼失されてなるものを用いることができる。発泡金属の表面に被覆される耐腐食性材料は、燃料電池1の運転時にアノードガス拡散層20に接触する物質、例えば燃料ガス、空気、水等に対する耐腐食性と、導電性とを有するものである。耐腐食性材料としては、例えばカーボン、Al、TiN、ZrN等を用いることができる。発泡金属表面への耐腐食性材料の被覆は、耐腐食性材料を含有するスラリーへの発泡金属の浸漬や、発泡金属への当該スラリーのスプレー塗布等の公知の方法によって実施することができる。 Al 4 C 3 is also called carbon aluminum or aluminum carbide. As the aluminum carbide, for example, a filler or particles can be used. TiN and ZrN can be used in the form of particles, for example. As the foam metal, for example, a surface obtained by subjecting a surface of a foamed urethane sheet to Ni plating treatment or Al plating treatment and then burning urethane by heating can be used. The corrosion-resistant material coated on the surface of the foam metal has corrosion resistance to a substance that contacts the anode gas diffusion layer 20 during operation of the fuel cell 1, such as fuel gas, air, water, etc., and conductivity. It is. For example, carbon, Al 4 C 3 , TiN, ZrN, or the like can be used as the corrosion resistant material. The coating of the corrosion resistant material on the surface of the foam metal can be performed by a known method such as immersion of the foam metal in a slurry containing the corrosion resistant material or spray application of the slurry to the foam metal.

流体流路24は、溝状の形状を有し、多孔質層22の一方の主表面に設けられる。流体流路24は、多孔質層22の主表面に設けられる凹部によって構成される。流体流路24は、セパレータ2側に配置され、燃料ガスの流路として機能する。水素ガス等の燃料ガスは、燃料供給用のマニホールド(図示せず)から流体流路24に分配され、流体流路24から多孔質層22を経て、膜電極接合体10のアノード触媒層14に供給される。   The fluid flow path 24 has a groove shape and is provided on one main surface of the porous layer 22. The fluid flow path 24 is configured by a recess provided on the main surface of the porous layer 22. The fluid flow path 24 is disposed on the separator 2 side and functions as a fuel gas flow path. Fuel gas such as hydrogen gas is distributed to a fluid flow path 24 from a fuel supply manifold (not shown), and passes through the porous layer 22 from the fluid flow path 24 to the anode catalyst layer 14 of the membrane electrode assembly 10. Supplied.

流体流路24の寸法は、例えば、深さが30μm以上450μm以下、幅が100μm以上1000μm以下、隣り合う流体流路24間の距離が100μm以上1000μm以下である。なお、本実施の形態では、流体流路24は5つ設けられているが、その数は特に限定されず、アノードガス拡散層20や流体流路24の大きさ等に応じて適宜設定することができる。   The dimensions of the fluid channel 24 are, for example, a depth of 30 μm to 450 μm, a width of 100 μm to 1000 μm, and a distance between adjacent fluid channels 24 of 100 μm to 1000 μm. In the present embodiment, five fluid flow paths 24 are provided, but the number is not particularly limited, and may be appropriately set according to the size of the anode gas diffusion layer 20 and the fluid flow path 24. Can do.

カソードガス拡散層40は、膜電極接合体10のカソード触媒層16側に配置される。カソードガス拡散層40は、多孔質層42と、流体流路44とを有する。カソードガス拡散層40の厚さは、例えば50μm以上500μm以下である。   The cathode gas diffusion layer 40 is disposed on the cathode catalyst layer 16 side of the membrane electrode assembly 10. The cathode gas diffusion layer 40 includes a porous layer 42 and a fluid flow path 44. The thickness of the cathode gas diffusion layer 40 is, for example, not less than 50 μm and not more than 500 μm.

多孔質層42は、Al、TiN、ZrN、及び耐腐食性材料で被覆された発泡金属からなる群から選択される少なくとも1つの導電性材料を含有し、多数の微細な空孔を有する。多孔質層42が含有するAl、TiN、ZrN及び発泡金属は、多孔質層22に含まれるものと同様であるため、詳細な説明は省略する。多孔質層42に用いられる発泡金属の表面を被覆する耐腐食性材料は、燃料電池1の運転時にカソードガス拡散層40に接触する物質、例えば酸化剤ガス、空気(空気が酸化剤ガスの場合もある)、水等に対する耐腐食性と、導電性とを有するものである。耐腐食性材料としては、例えばカーボン、Al、TiN、ZrN等を用いることができる。発泡金属表面への耐腐食性材料の被覆方法は、多孔質層22の場合と同様である。 The porous layer 42 contains at least one conductive material selected from the group consisting of Al 4 C 3 , TiN, ZrN, and foam metal coated with a corrosion-resistant material, and has a large number of fine pores. Have. Since Al 4 C 3 , TiN, ZrN, and foam metal contained in the porous layer 42 are the same as those contained in the porous layer 22, detailed description thereof is omitted. The corrosion-resistant material covering the surface of the foam metal used for the porous layer 42 is a substance that contacts the cathode gas diffusion layer 40 during operation of the fuel cell 1, such as an oxidant gas or air (when the air is an oxidant gas). In other words, it has corrosion resistance to water and the like and conductivity. For example, carbon, Al 4 C 3 , TiN, ZrN, or the like can be used as the corrosion resistant material. The method of covering the surface of the foam metal with the corrosion resistant material is the same as that for the porous layer 22.

流体流路44は、溝状の形状を有し、多孔質層42の一方の主表面に設けられる。流体流路44は、多孔質層42の主表面に設けられる凹部によって構成される。流体流路44は、セパレータ4側に配置され、酸化剤ガスの流路として機能する。空気等の酸化剤ガスは、酸化剤供給用のマニホールド(図示せず)から流体流路44に分配され、流体流路44から多孔質層42を経て、膜電極接合体10のカソード触媒層16に供給される。また、流体流路44は、カソード触媒層16で生成される水の排水路としても機能する。流体流路44の寸法、設置数等は、アノードガス拡散層20の流体流路24と同様である。   The fluid flow path 44 has a groove shape and is provided on one main surface of the porous layer 42. The fluid flow path 44 is configured by a recess provided on the main surface of the porous layer 42. The fluid channel 44 is disposed on the separator 4 side and functions as a channel for the oxidant gas. An oxidant gas such as air is distributed from a manifold (not shown) for supplying an oxidant to the fluid flow path 44, passes through the porous layer 42 from the fluid flow path 44, and the cathode catalyst layer 16 of the membrane electrode assembly 10. To be supplied. The fluid flow path 44 also functions as a drainage path for water generated in the cathode catalyst layer 16. The dimensions and the number of installed fluid channels 44 are the same as those of the fluid channel 24 of the anode gas diffusion layer 20.

なお、アノード触媒層14とアノードガス拡散層20とが積層された構造をアノードと称し、カソード触媒層16とカソードガス拡散層40とが積層された構造をカソードと称する場合がある。   A structure in which the anode catalyst layer 14 and the anode gas diffusion layer 20 are stacked may be referred to as an anode, and a structure in which the cathode catalyst layer 16 and the cathode gas diffusion layer 40 are stacked may be referred to as a cathode.

上述した固体高分子形の燃料電池1では、以下の反応が起こる。すなわち、アノードガス拡散層20を介してアノード触媒層14に燃料ガスとしての水素ガスが供給されると、アノード触媒層14において下記式(1)で示す反応が起こり、水素がプロトンと電子に分解される。プロトンは、電解質膜12中をカソード触媒層16側へ移動する。電子は、アノードガス拡散層20及びセパレータ2を経由して外部回路(図示せず)に移動し、外部回路からセパレータ4及びカソードガス拡散層40を経由してカソード触媒層16に流れ込む。一方、カソードガス拡散層40を介してカソード触媒層16に酸化剤ガスとしての空気が供給されると、カソード触媒層16において下記式(2)で示す反応が起こり、空気中の酸素がプロトン及び電子と反応して水になる。この結果、外部回路においてアノードからカソードに向かって電子が流れることとなり、電力を取り出すことができる。
アノード触媒層14:H→2H+2e (1)
カソード触媒層16:2H+(1/2)O+2e→HO (2)
In the polymer electrolyte fuel cell 1 described above, the following reaction occurs. That is, when hydrogen gas as a fuel gas is supplied to the anode catalyst layer 14 through the anode gas diffusion layer 20, a reaction represented by the following formula (1) occurs in the anode catalyst layer 14, and hydrogen is decomposed into protons and electrons. Is done. Protons move through the electrolyte membrane 12 toward the cathode catalyst layer 16 side. The electrons move to the external circuit (not shown) via the anode gas diffusion layer 20 and the separator 2, and flow into the cathode catalyst layer 16 via the separator 4 and the cathode gas diffusion layer 40 from the external circuit. On the other hand, when air as an oxidant gas is supplied to the cathode catalyst layer 16 through the cathode gas diffusion layer 40, a reaction represented by the following formula (2) occurs in the cathode catalyst layer 16, and oxygen in the air is converted into protons and oxygen. It reacts with electrons to become water. As a result, electrons flow from the anode toward the cathode in the external circuit, and electric power can be taken out.
Anode catalyst layer 14: H 2 → 2H + + 2e (1)
Cathode catalyst layer 16: 2H + + (1/2) O 2 + 2e → H 2 O (2)

(燃料電池用ガス拡散層の製造工程)
多孔質層22,42がAl、TiNあるいはZrNを含有する燃料電池用ガス拡散層の場合は、これらの粒子とバインダー樹脂との混合物を、プレス成形等の公知の方法で加工することで、燃料電池用ガス拡散層を製造することができる。バインダー樹脂としては、PTFE(ポリテトラフルオロエチレン)、PFA(テトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体)、FEP(テトラフルオロエチレン・ヘキサフルオロプロピレン共重合体)、ETFE(テトラフルオロエチレン・エチレン共重合体)等のフッ素系樹脂を用いることができる。多孔質層22,42が発泡金属を含有する燃料電池用ガス拡散層の場合は、発泡金属のシートをプレス成形等の公知の方法で加工することで、燃料電池用ガス拡散層を製造することができる。
(Manufacturing process of gas diffusion layer for fuel cells)
When the porous layers 22 and 42 are gas diffusion layers for fuel cells containing Al 4 C 3 , TiN or ZrN, a mixture of these particles and a binder resin is processed by a known method such as press molding. Thus, a gas diffusion layer for a fuel cell can be manufactured. Binder resins include PTFE (polytetrafluoroethylene), PFA (tetrafluoroethylene / perfluoroalkyl vinyl ether copolymer), FEP (tetrafluoroethylene / hexafluoropropylene copolymer), ETFE (tetrafluoroethylene / ethylene copolymer). Fluorine resin such as (polymer) can be used. When the porous layers 22 and 42 are gas diffusion layers for a fuel cell containing a foam metal, a gas diffusion layer for a fuel cell is manufactured by processing the foam metal sheet by a known method such as press molding. Can do.

以上説明したように、本実施の形態の燃料電池用ガス拡散層は、Al、TiN、ZrN及び耐腐食性材料で被覆された発泡金属からなる群から選択される少なくとも1つの導電性材料を含有する多孔質層22,42を備える。 As described above, the gas diffusion layer for a fuel cell according to the present embodiment is at least one conductive material selected from the group consisting of Al 4 C 3 , TiN, ZrN, and foam metal coated with a corrosion-resistant material. The porous layers 22 and 42 containing the material are provided.

多孔質層22,42がAlを含有することで、従来公知のカーボン製ガス拡散層に比べて、燃料電池用ガス拡散層の導電性を向上させることができる。これにより、燃料電池1の抵抗過電圧を低減させることができ、燃料電池1の出力を向上させることができる。また、従来に比べて、燃料電池用ガス拡散層の耐腐食性を向上させることができる。これにより、燃料電池用ガス拡散層の耐久性、ひいては燃料電池1の耐久性を向上させることができる。 Since the porous layers 22 and 42 contain Al 4 C 3 , the conductivity of the fuel cell gas diffusion layer can be improved as compared with a conventionally known carbon gas diffusion layer. Thereby, the resistance overvoltage of the fuel cell 1 can be reduced, and the output of the fuel cell 1 can be improved. Further, the corrosion resistance of the fuel cell gas diffusion layer can be improved as compared with the conventional case. Thereby, the durability of the gas diffusion layer for a fuel cell, and thus the durability of the fuel cell 1 can be improved.

また、多孔質層22,42がTiNあるいはZrNを含有することで、従来に比べて、燃料電池用ガス拡散層の導電性を向上させることができる。これにより、燃料電池1の抵抗過電圧を低減させることができ、燃料電池1の出力を向上させることができる。また、従来に比べて、燃料電池用ガス拡散層の耐腐食性を向上させることができる。これにより、燃料電池用ガス拡散層の耐久性、ひいては燃料電池1の耐久性を向上させることができる。さらに、TiN及びZrNは、それぞれの粒子径の制御が容易であるため、燃料電池用ガス拡散層の多孔度あるいは透気度をより確実に高めることができる。これにより、燃料電池用ガス拡散層におけるガスの拡散性を向上させることができ、燃料電池用ガス拡散層の全体により均一にガスを拡散させることができる。このため、燃料電池1の拡散過電圧を低減させることができる。   Further, since the porous layers 22 and 42 contain TiN or ZrN, the conductivity of the gas diffusion layer for a fuel cell can be improved as compared with the conventional case. Thereby, the resistance overvoltage of the fuel cell 1 can be reduced, and the output of the fuel cell 1 can be improved. Further, the corrosion resistance of the fuel cell gas diffusion layer can be improved as compared with the conventional case. Thereby, the durability of the gas diffusion layer for a fuel cell, and thus the durability of the fuel cell 1 can be improved. Furthermore, TiN and ZrN can easily control the particle diameter of each, so that the porosity or air permeability of the fuel cell gas diffusion layer can be increased more reliably. Thereby, the diffusibility of the gas in the gas diffusion layer for fuel cells can be improved, and the gas can be diffused uniformly throughout the gas diffusion layer for fuel cells. For this reason, the diffusion overvoltage of the fuel cell 1 can be reduced.

また、多孔質層22,42が耐腐食性材料で被覆された発泡金属を含有することで、従来に比べて、燃料電池用ガス拡散層の導電性を向上させることができる。これにより、燃料電池1の抵抗過電圧を低減させることができ、燃料電池1の出力を向上させることができる。また、従来に比べて、燃料電池用ガス拡散層の耐腐食性を向上させることができる。これにより、燃料電池用ガス拡散層の耐久性、ひいては燃料電池1の耐久性を向上させることができる。さらに、発泡金属は多数の空隙を有し、また発泡性の異なるウレタン材の選択により燃料電池用ガス拡散層の多孔度あるいは透気度を簡単に制御することができる。これにより、燃料電池用ガス拡散層におけるガスの拡散性を向上させることができ、燃料電池用ガス拡散層の全体により均一にガスを拡散させることができる。このため、燃料電池1の拡散過電圧を低減させることができる。また、発泡金属はプレス成形等により簡単に薄型化が可能であるため、燃料電池1を薄型化することができ、これにより燃料電池1の出力密度を向上させることができる。   Moreover, the electroconductivity of the gas diffusion layer for fuel cells can be improved compared with the past by containing the foam metal by which the porous layers 22 and 42 were coat | covered with the corrosion-resistant material. Thereby, the resistance overvoltage of the fuel cell 1 can be reduced, and the output of the fuel cell 1 can be improved. Further, the corrosion resistance of the fuel cell gas diffusion layer can be improved as compared with the conventional case. Thereby, the durability of the gas diffusion layer for a fuel cell, and thus the durability of the fuel cell 1 can be improved. Further, the foam metal has a large number of voids, and the porosity or air permeability of the fuel cell gas diffusion layer can be easily controlled by selecting urethane materials having different foaming properties. Thereby, the diffusibility of the gas in the gas diffusion layer for fuel cells can be improved, and the gas can be diffused uniformly throughout the gas diffusion layer for fuel cells. For this reason, the diffusion overvoltage of the fuel cell 1 can be reduced. Further, since the metal foam can be easily reduced in thickness by press molding or the like, the fuel cell 1 can be reduced in thickness, whereby the output density of the fuel cell 1 can be improved.

また、本実施の形態の燃料電池用ガス拡散層は、多孔質層22,42の一方の主表面に設けられる溝状の流体流路24,44を備える。多孔質層22,42に流体流路24,44を設けることで、セパレータ2,4側に流体流路を形成する場合に比べて、所望の寸法の流体流路24,44を容易に形成することができる。また、セパレータ2,4側に流体流路を形成する場合に比べて、流体流路の深さを浅くすることができる。このため、多孔質層22,42及びセパレータ2,4の厚さを薄くすることができる。よって、燃料電池1を薄型化することができ、燃料電池1の出力密度を向上させることができる。多孔質層22,42が発泡金属で構成される場合には、プレス成形等で流体流路24,44を簡単に形成することができる。   The gas diffusion layer for a fuel cell according to the present embodiment includes groove-like fluid flow paths 24 and 44 provided on one main surface of the porous layers 22 and 42. By providing the fluid passages 24 and 44 in the porous layers 22 and 42, the fluid passages 24 and 44 having desired dimensions can be easily formed as compared with the case where the fluid passages are formed on the separators 2 and 4 side. be able to. Further, the depth of the fluid flow path can be reduced as compared with the case where the fluid flow path is formed on the separators 2 and 4 side. For this reason, the thickness of the porous layers 22 and 42 and the separators 2 and 4 can be made thin. Therefore, the fuel cell 1 can be thinned and the output density of the fuel cell 1 can be improved. When the porous layers 22 and 42 are made of foam metal, the fluid flow paths 24 and 44 can be easily formed by press molding or the like.

また、多孔質層22,42に流体流路24,44が形成されると、燃料電池用ガス拡散層とセパレータ2,4との接触面積が減少する。このため、燃料電池1における集電性能が低下する傾向にある。これに対し、本実施の形態では、多孔質層22,42にAl、TiN、ZrN及び発泡金属の少なくとも1つが含有され、これにより燃料電池用ガス拡散層の導電性が向上している。よって、流体流路24,44の形成による上述した効果を得ることができるとともに、燃料電池1の集電性能の低下を抑制することができる。 Further, when the fluid flow paths 24 and 44 are formed in the porous layers 22 and 42, the contact area between the fuel cell gas diffusion layer and the separators 2 and 4 decreases. For this reason, it exists in the tendency for the current collection performance in the fuel cell 1 to fall. On the other hand, in the present embodiment, the porous layers 22 and 42 contain at least one of Al 4 C 3 , TiN, ZrN, and foam metal, thereby improving the conductivity of the fuel cell gas diffusion layer. Yes. Therefore, the above-described effects due to the formation of the fluid flow paths 24 and 44 can be obtained, and a decrease in the current collection performance of the fuel cell 1 can be suppressed.

本発明は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、当業者の知識に基づいて各種の設計変更等の変形を加えることも可能であり、そのような変形が加えられた実施の形態も本発明の範囲に含まれうるものである。   The present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications such as design changes can be added based on the knowledge of those skilled in the art. Embodiments to which such modifications are added Can also be included in the scope of the present invention.

上述した実施の形態では、アノードガス拡散層20及びカソードガス拡散層40がともに、Al、TiN、ZrN及び発泡金属の少なくとも1つを含有する多孔質層22,42と、流体流路24,44とを備える構成を有する。しかしながら、特にこれに限定されず、アノードガス拡散層20及びカソードガス拡散層40のいずれか一方のみが上述した構成を有していてもよい。また、流体流路24,44は設けられなくてもよい。膜電極接合体10と燃料電池用ガス拡散層との間には、マイクロポーラス層(MPL)が設けられてもよい。 In the embodiment described above, the anode gas diffusion layer 20 and the cathode gas diffusion layer 40 are both porous layers 22 and 42 containing at least one of Al 4 C 3 , TiN, ZrN, and foam metal, and the fluid flow path. 24, 44. However, it is not particularly limited to this, and only one of the anode gas diffusion layer 20 and the cathode gas diffusion layer 40 may have the above-described configuration. Further, the fluid flow paths 24 and 44 may not be provided. A microporous layer (MPL) may be provided between the membrane electrode assembly 10 and the fuel cell gas diffusion layer.

以下に、実施例に基づいて本発明を詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例により何ら限定されるものではない。   EXAMPLES The present invention will be described in detail below based on examples, but the present invention is not limited to these examples.

<燃料電池用ガス拡散層の導電性及び耐久性の評価>
(実施例)
以下のようにして、実施例に係る燃料電池用ガス拡散層を形成した。すなわち、カーボン材料としてのアセチレンブラック35質量%、ケッチェンブラック35質量%、及びカーボンアルミ材料20質量%と、バインダーとしてのPTFE10質量%とを、所定量の溶媒に投入して溶液を作製した。そして、得られた溶液を混練、分散し、押し出し成形機により厚さ300μmのシート状に成形して、燃料電池用ガス拡散層を作製した。
<Evaluation of conductivity and durability of gas diffusion layer for fuel cell>
(Example)
The fuel cell gas diffusion layer according to the example was formed as follows. That is, 35% by mass of acetylene black as a carbon material, 35% by mass of ketjen black, and 20% by mass of a carbon aluminum material and 10% by mass of PTFE as a binder were charged into a predetermined amount of solvent to prepare a solution. Then, the obtained solution was kneaded and dispersed, and formed into a sheet having a thickness of 300 μm by an extrusion molding machine to produce a gas diffusion layer for a fuel cell.

ガス拡散層に用いられるカーボンアルミ材は、例えば以下の方法で形成することができる。すなわち、まずアルミニウム箔を準備する。そして、このアルミニウム箔上に平均粒径0.3μmのアセチレンブラックからなる炭素材料を塗布する。続いて、この炭素材料が塗布されたアルミニウム箔を、300℃以上に加熱した状態で圧延することにより、アルミニウムと炭素からなるAl組成の合金層を形成する。なお、加熱温度は、合金化温度以上であればよい。また、この合金層の厚みは、SIMS分析によると約1μm程度である。また、Al組成の合金層は、化学量論組成から一定程度のバラツキを持っており、このバラツキはアルミニウムとAlの界面でより顕著になる。続いて、このようにして作製されたAl組成の合金層を、機械的あるいは化学的に剥離、収集して、カーボンアルミ材を得ることができる。カーボンアルミ材は、ガス拡散層の材料の一部あるいは全部として用いることができる。当該カーボンアルミ材の作製には、アセチレンブラックが用いられているが、ケッチェンブラックが用いられてもよい。この場合、ケッチェンブラックがアセチレンブラックよりも親水性であるため、燃料電池のカソードガス拡散層の排水性を向上させることができ、燃料電池の高電流密度領域での電圧を向上させることができる。 The carbon aluminum material used for the gas diffusion layer can be formed by the following method, for example. That is, first, an aluminum foil is prepared. And the carbon material which consists of acetylene black with an average particle diameter of 0.3 micrometer is apply | coated on this aluminum foil. Subsequently, the aluminum foil coated with the carbon material is rolled in a state of being heated to 300 ° C. or higher to form an Al 4 C 3 alloy layer made of aluminum and carbon. In addition, the heating temperature should just be more than an alloying temperature. The thickness of the alloy layer is about 1 μm according to SIMS analysis. Further, the alloy layer of the Al 4 C 3 composition has a certain degree of variation from the stoichiometric composition, and this variation becomes more remarkable at the interface between aluminum and Al 4 C 3 . Subsequently, the alloy layer having the Al 4 C 3 composition thus prepared can be mechanically or chemically peeled and collected to obtain a carbon aluminum material. The carbon aluminum material can be used as a part or all of the material of the gas diffusion layer. Acetylene black is used for the production of the carbon aluminum material, but ketjen black may be used. In this case, since ketjen black is more hydrophilic than acetylene black, the drainage of the cathode gas diffusion layer of the fuel cell can be improved, and the voltage in the high current density region of the fuel cell can be improved. .

(比較例)
以下のようにして、比較例に係る燃料電池用ガス拡散層を形成した。すなわち、カーボン材料としてのアセチレンブラック45質量%、及びケッチェンブラック45質量%と、バインダーとしてのPTFE10質量%とを所定量の溶媒に投入して溶液を作製した。得られた溶液を混練、分散し、押し出し成形機により厚さ300μmのシート状に成形して、燃料電池用ガス拡散層を作製した。
(Comparative example)
The fuel cell gas diffusion layer according to the comparative example was formed as follows. That is, 45% by mass of acetylene black as a carbon material and 45% by mass of ketjen black and 10% by mass of PTFE as a binder were charged into a predetermined amount of solvent to prepare a solution. The obtained solution was kneaded and dispersed, and formed into a sheet having a thickness of 300 μm by an extrusion molding machine to prepare a gas diffusion layer for a fuel cell.

(抵抗率の測定)
そして、実施例及び比較例の各燃料電池用ガス拡散層について、以下のようにして抵抗率を測定し、導電性の評価を行った。すなわち、実施例及び比較例の各燃料電池用ガス拡散層の表面及び裏面のそれぞれに、金メッキを施した銅板を設けた。そして、この銅板をリード電極として、温度25℃で1kHzの交流インピーダンスを測定した。インピーダンスの測定は、所定のライフ時間の経過毎に実施した。得られたインピーダンスの抵抗値を、各燃料電池用ガス拡散層のシート厚みで規格化し、各燃料電池用ガス拡散層の抵抗率を算出した。得られた結果を図3に示す。図3は、燃料電池用ガス拡散層のライフ時間と抵抗率との関係を示すグラフである。
(Measurement of resistivity)
And about each gas diffusion layer for fuel cells of an Example and a comparative example, the resistivity was measured as follows and electroconductivity was evaluated. That is, the copper plate which gave gold plating was provided in each of the surface and back surface of each gas diffusion layer for fuel cells of an Example and a comparative example. Then, using this copper plate as a lead electrode, an AC impedance of 1 kHz was measured at a temperature of 25 ° C. Impedance was measured every time a predetermined life time passed. The resistance value of the obtained impedance was normalized by the sheet thickness of each fuel cell gas diffusion layer, and the resistivity of each fuel cell gas diffusion layer was calculated. The obtained results are shown in FIG. FIG. 3 is a graph showing the relationship between the life time and the resistivity of the fuel cell gas diffusion layer.

図3に示すように、実施例の燃料電池用ガス拡散層は、比較例の燃料電池用ガス拡散層に比べて、いずれのライフ時間においても抵抗率が低いことが確認された。このことから、多孔質層にAlを含有させることで、燃料電池用ガス拡散層の導電性が向上することが確認された。また、実施例の燃料電池用ガス拡散層は、比較例の燃料電池用ガス拡散層に比べて、ライフ時間の経過による抵抗率の変化が小さいことが確認された。このことから、多孔質層にAlを含有させることで、燃料電池用ガス拡散層の耐久性が向上することが確認された。 As shown in FIG. 3, it was confirmed that the fuel cell gas diffusion layer of the example had a lower resistivity at any life time than the fuel cell gas diffusion layer of the comparative example. From this, it was confirmed that the conductivity of the gas diffusion layer for fuel cells is improved by containing Al 4 C 3 in the porous layer. Further, it was confirmed that the change in resistivity of the fuel cell gas diffusion layer of the example with the passage of life time was smaller than that of the fuel cell gas diffusion layer of the comparative example. From this, it was confirmed that the durability of the gas diffusion layer for fuel cells is improved by containing Al 4 C 3 in the porous layer.

1 燃料電池、 10 膜電極接合体、 12 電解質膜、 14 アノード触媒層、 16 カソード触媒層、 20 アノードガス拡散層、 22,42 多孔質層、 24,44 流体流路、 40 カソードガス拡散層。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Fuel cell, 10 Membrane electrode assembly, 12 Electrolyte membrane, 14 Anode catalyst layer, 16 Cathode catalyst layer, 20 Anode gas diffusion layer, 22, 42 Porous layer, 24, 44 Fluid flow path, 40 Cathode gas diffusion layer

Claims (3)

炭化アルミニウム(Al)、窒化チタン(TiN)、窒化ジルコニウム(ZrN)、及び耐腐食性材料で被覆された発泡金属からなる群から選択される少なくとも1つの導電性材料を含有する多孔質層を備えることを特徴とする燃料電池用ガス拡散層。 Porous containing at least one conductive material selected from the group consisting of aluminum carbide (Al 4 C 3 ), titanium nitride (TiN), zirconium nitride (ZrN), and foam metal coated with a corrosion resistant material A gas diffusion layer for a fuel cell comprising a layer. 前記多孔質層の一方の主表面に設けられる溝状の流体流路を備える請求項1に記載の燃料電池用ガス拡散層。     The gas diffusion layer for a fuel cell according to claim 1, further comprising a groove-like fluid flow path provided on one main surface of the porous layer. 電解質膜、前記電解質膜の一方の面側に配置されるアノード触媒層、及び前記電解質膜の他方の面側に配置されるカソード触媒層で構成される膜電極接合体と、
前記膜電極接合体の前記アノード触媒層側に配置されるアノードガス拡散層と、
前記膜電極接合体の前記カソード触媒層側に配置されるカソードガス拡散層と、を備え、
前記アノードガス拡散層及び前記カソードガス拡散層の少なくとも一方は、請求項1又は2に記載の燃料電池用ガス拡散層で構成されることを特徴とする燃料電池。
A membrane electrode assembly comprising an electrolyte membrane, an anode catalyst layer disposed on one surface side of the electrolyte membrane, and a cathode catalyst layer disposed on the other surface side of the electrolyte membrane;
An anode gas diffusion layer disposed on the anode catalyst layer side of the membrane electrode assembly;
A cathode gas diffusion layer disposed on the cathode catalyst layer side of the membrane electrode assembly,
3. The fuel cell according to claim 1, wherein at least one of the anode gas diffusion layer and the cathode gas diffusion layer is constituted by the gas diffusion layer for a fuel cell according to claim 1.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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US20220023946A1 (en) * 2020-07-27 2022-01-27 c/o OHMIUM INTERNATIONAL, INC., Porous electrolyzer gas diffusion layer and method of making thereof

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