JP2021125376A - 燃料電池用ガス拡散層 - Google Patents

Abstract

【課題】ＧＤＬに要求される高剛性を維持しながら、燃料電池セル内で発生する水蒸気の排出特性を向上させて、燃料電池の発電効率を高める燃料電池用ガス拡散層を提供する。
【解決手段】カーボンクロス（炭素繊維織物）から形成される第１層１０と、カーボンペーパ（炭素繊維抄紙）から形成される第２層２０と、を有して、第１層１０と第２層２０を互いに導電性物質で固着する燃料電池用ガス拡散層５０とする。また、第１層１０の目付けを第２層２０の目付けよりも大きくしても構わない。
【選択図】 図１

Description

本発明は、車両、船舶、航空機等の交通機関に搭載される燃料電池用途のガス拡散層に関する。

家庭用や車両用として主流である固体高分子形燃料電池（以下、燃料電池またはＦＣとする）は、高分子膜の両面に電極が接合された膜・白金触媒接合層（以下、ＣＣＭ層とする）、燃料ガス、酸化剤ガスを電極反応域に導くガス拡散層（以下、ＧＤＬとする）、ガス導入・排出溝を持つセパレータやシール材等からなる単位ユニット（以下、セルとする）が繰り返し積層された構造である。

中でも、ＧＤＬは一般的に１ｍｍ以下の薄いシート状に形成された部材で、外部からの水素を含む燃料ガス、或いは酸素を含む酸化剤ガスの２つの反応ガスを電極触媒層に円滑に供給できる機能を有することが要求される。この他に、ＧＤＬの基本的な機能として、１）電気エネルギーを効率的に取り出すために十分に低い電気抵抗を有すること、２）大電流を取り出すための十分なガス透過性および電池で生成する生成水の排出性からなる良好な拡散性を有すること、３）積層部材の厚みのムラや厚みの変化を吸収できるクッション性（弾力性）を有すること、４）強酸性や強アルカリ性にも耐える耐腐食性を有すること、などが必要となる。

これまでのＧＤＬは炭素繊維による抄紙構造（カーボンペーパ）であるため、上記のガス透過性が不十分であり、厚みムラを吸収するクッション性（弾力性）が低いという問題があった。そこで、カーボンペーパの問題点を解消するために、カーボンクロス（炭素繊維織物）をカーボンペーパを積層させたＧＤＬが特許文献１ないし４において提案されている。

特開２００３−１７３７８９号公報 特開２００３−８９９６８号公報 特開２００４−３５５９９１号公報 特開２００９−２９５５０９号公報

しかし、カーボンペーパの特性に対して高剛性を要求すると目付けが大きくなり、ＧＤＬ全体として厚み方向の電気抵抗も大きくなる。その結果、燃料電池セル自体が発熱し、発電効率が低下する。

一方、カーボンペーパの目付けを必要以上に少なくすると、カーボンクロスの織り目の空白部を橋渡しする繊維が減り、ＣＣＭ層に押し当てる押圧が小さくなる。その結果、発電性能が低下するとともにカーボンクロスがセパレータの溝内に侵入してＧＤＬの通気特性とセパレータの排水特性を悪化させる原因になる。加えて、ＧＤＬの片面側にＭＰＬ層（多孔質な平滑層）を塗布した際にＣＣＭ層との接触に必要な平滑な面（平滑度）が確保できないという問題もあった。

また、カーボンペーパとカーボンクロスを単に積層させたＧＤＬでは、膜・電極接合体の組立工程においてカーボンペーパとカーボンクロスを個別に積層させる際に、カーボンペーパとカーボンクロスの各々がＣＣＭ層に損傷を加えない程度の圧力を加えるので、接触抵抗が大きくなる。さらに、カーボンペーパとカーボンクロスのそれぞれの位置決め工程が必要になり、結果的に燃料電池セルの組立工数の増加にもなっていた。

そこで、本発明においてはＧＤＬに要求される高剛性を維持しながら、燃料電池セル内で発生する水蒸気の排出特性（通気特性）を向上させて、燃料電池の発電効率を高める燃料電池用ガス拡散層を提供することを課題とする。

前述した課題を解決するために、本発明者はカーボンペーパとカーボンクロスを単に積層させたＧＤＬの構造を見直した結果、カーボンペーパとカーボンクロスの界面の構造およびカーボンペーパの密度（目付け）によって燃料電池の発電効率が左右されることを見出した。

具体的には、カーボンペーパとカーボンクロスの界面の構造については、界面の接触形態によって発電効率が変化するので、カーボンペーパとカーボンクロスが接触する界面に導電性物質を介在させることで発電効率が改善されることを見出した。

また、カーボンペーパとＣＣＭ層の間にはＭＰＬ層を設けるので、なるべく平滑な面が要求される。そのため、カーボンペーパの目付けが増えることで厚さも大きくなる。その結果、ＧＤＬ全体の厚さも増加して、結果として発電効率が低下する原因にもなっていた。そこで、本発明では、カーボンペーパの目付けを減らすことで、その厚さをカーボンクロスよりも薄くした結果、発電効率の低下を抑制できることを見出した。

具体的には、本発明の燃料電池用ガス拡散層をカーボンクロス（炭素繊維織物）から形成される第１層およびカーボンペーパ（炭素繊維抄紙）から形成される第２層を互いに導電性物質で固着する構造とした。第１層（炭素繊維織物）の目付けを第２層（炭素繊維抄紙）の目付けよりも大きくすることもできる。例えば、第１層の目付けを２０ｇ／ｍ^２以上として、第２層の目付け（但し、ＭＰＬ層の目付けは考慮しない）は２〜１０ｇ／ｍ^２の範囲としても構わない。

また、第１層のカーボンクロスは経糸また緯糸の少なくともいずれか一方が実質的に無撚りである構造でも良い。さらに、第２層の片面（第１層との反対面）にフッ素樹脂中にカーボン粒子を分散させた樹脂層を有した構造としても良い。

本発明の燃料電池用ガス拡散層は、前述したようにＧＤＬが担う高剛性と通気特性を両立しながら、燃料電池の発電効率を高めることができる。同時に、本発明の燃料電池用ガス拡散層はカーボンペーパとカーボンクロスを単に積層させたＧＤＬに比べて、燃料電池セルの組立工程にて位置決めなどの作業が不要になるので、組立工程の簡略化にもつながる。

本発明の第１実施形態であるガス拡散層５０の断面図である。 図１の中央部付近における拡大図である。 本発明のの第２実施形態であるガス拡散層８０の断面図である。 図３の中央部付近における拡大図である。 実施例で用いた発電性能試験装置の模式構成図である。 実施例の発電性能試験のセル１００の模式構成図である。 実施例の発電性能測定試験の結果である。

本発明であるガス拡散層の実施形態について図面を用いて以下に説明する。本発明の第１実施形態であるガス拡散層５０断面における顕微鏡写真（倍率：５００倍）の図面を図１、同断面図の中央付近における拡大図面（倍率：１０００倍）を図２にそれぞれ示す。本発明のガス拡散層（ＧＤＬ）５０は、図１に示す様にカーボンクロス（炭素繊維織物：第１層）１０、カーボンペーパ（炭素繊維抄紙：第２層）２０から形成されており、各層は互いに密着している。

カーボンクロス（第１層）１０は、図１に示す様に経糸１１が図面の奥側から手前側に向かって、緯糸１２が図面左右方向にわたって形成されている。この経糸１１は複数の単糸が実質的に無撚りの状態であり、これに対して緯糸１２は図１に示す様に撚りが有る状態で形成されている。

また、カーボンクロス（第１層）１０とカーボンペーパ（第２層）２０の境界部分は、図２に示す様にカーボンクロス（第１層）１０の経糸１１を形成する単糸（炭素繊維）１１Ａとカーボンペーパ（第２層）２０を形成する炭素繊維２０Ａが図示しない導電性物質によって固着されている。

本発明の第２実施形態であるガス拡散層８０断面における顕微鏡写真（倍率：５００倍）の図面を図３、同断面図の中央付近における拡大図面（倍率：１０００倍）を図４にそれぞれ示す。本実施形態のガス拡散層（ＧＤＬ）８０は、図１および図２に示す第１実施形態と同様にカーボンクロス（炭素繊維織物：第１層）３０、カーボンペーパ（炭素繊維抄紙：第２層）４０から形成されており、各層は図示しない導電性物質によって固着されている。

カーボンクロス（第１層）３０は、図３および図４に示す様に経糸３１が図面の奥側から手前側に向かって、緯糸３２が図面左右方向にわたって形成されている。この経糸３１は複数の単糸が実質的に無撚りの状態であり、これに対して緯糸３２は図３および図４に示す様に撚りが有る状態で形成されている。

次に、本発明のＧＤＬ（以下、発明品という）および従来のＧＤＬ（以下、従来品という）を内蔵した試験体（以下、評価セルという）を用いた発電性能の測定試験を行なったので、その測定結果について説明する。本測定試験の装置全体の構成図を図５、評価セル１００の構造を示す模式図を図６に示す。

本測定試験に使用した評価セル１００は、図６に示す様に溝付きのセパレータ７１，７２で触媒付きの高分子膜６０を両側から２種類のＧＤＬ５１，５２で挟み込んだ構造である。高分子膜６０（電解質膜：厚さ４０μｍ）はアノードおよびカソードの両側に触媒層を密着させた上で各ＧＤＬ５１，５２に当接した。

この評価セル１００に使用したＧＤＬ５１，５２は、水素極（アノード側）には市販のＧＤＬ５２（ＳＧＬ社製、品番２４ＢＣ）、空気極（カソード側）には上述した発明品または従来品（有効面積はいずれも１ｃｍ^２）の各ＧＤＬ５１を使用した。

ここで、発明品および従来品に使用したカーボンペーパは、元になる炭素繊維製の抄紙の両面を熱硬化性樹脂で硬化しており、また炭素繊維織物の両面もセパレータの溝に食い込まない程度に熱硬化性樹脂で硬化した。また、発明品は従来品の炭素繊維抄紙や炭素繊維織物の構造、材質および目付（単位面積当たりの重量）を統一した。

炭素繊維織物と炭素繊維抄紙を結着する熱硬化性樹脂の目付は従来品にそれぞれ添加している目付の合計量と同じにしている。本測定の評価セルに組み込んだ各ＧＤＬの厚みは、面圧が１ＭＰａ時の厚みとし、水素極側は１７０μｍ、空気極側は１３０μｍとなるようシムを調整した。

上述の評価セルに共通のならし運転を十分に行った後、図３に示す電圧計で０．２Ｖ時の限界電流値（Ｉ_ｌｉｍ：Ａ／ｃｍ^２）を電流計により求めた。ここで、「ならし運転」とは、発電パターン（ＶＩ条件やその時間）を変えながら、高分子膜、触媒層、ＧＤＬの間の馴染みを良くしながら、発電能力を定常状態に向上させて、性能評価を行う前段階のセルの試運転をいうものとする。

ならし運転後の評価セルに対して、図６に示すようにアノード側（水素極）のセパレータ７２には水素０．５Ｌ／分、カソード側（空気極）のセパレータ７１には窒素で希釈した酸素を１Ｌ／分の流量でそれぞれ圧送した。水素極および空気極ともにガス温度が４５℃および６０℃の２条件でガスを供給した。発電部の温度が４５℃（過加湿条件）および６０℃（加湿条件）の評価セルに両ガスを供給して運転条件を設定した。

また、この評価セルにおける空気極の平均背圧を０．１５ＭＰａ（ａｂｓ）、水素極を０．１０ＭＰａ（ａｂｓ）とした。上述の条件でセルのＩＶ（電流−電圧）特性を計測して、電圧が０．２Ｖの時の電流値を限界電流値として記録した。本発電性能試験の結果を図７に示す。

本試験の結果、発明品を用いた評価セルの０．２Ｖの限界電流値は、ガス過加湿温度が４５℃の場合では１８６ｍＡ、ガス加湿温度が６０℃の場合では３３３ｍＡであった。これに対して、比較品を用いたセルの０．２Ｖの限界電流値は、ガス過加湿温度が４５℃の場合では、１１６ｍＡ、ガス過加湿温度が６０℃の場合では３２８ｍＡであった。以上の試験結果より、発明品の発電性能はガス過加湿雰囲気において比較品の１．６倍の性能を発揮できることがわかった。

なお、本願にて「目付け」とは、日本工業規格（ＪＩＳ）Ｌ０２０２８における「毛織物などの単位面積当たりの質量を表す単位で、１ｍ^２当りのグラム数」と同義である。

１０，３０ カーボンクロス（炭素繊維織物）
２０，４０ カーボンペーパ（炭素繊維抄紙）
５０，５１，５２，８０ 燃料電池用ガス拡散層（ＧＤＬ）
６０ 高分子膜（電解質膜）
７１，７２ セパレータ
１００ 評価セル

Claims (5)

1. カーボンクロスから形成される第１層と、カーボンペーパから形成される第２層と、を有しており、前記第１層と前記第２層が互いに導電性物質により固着されていることを特徴とする燃料電池用ガス拡散層。
2. 前記第１層の目付けは、前記第２層の目付けよりも大きいことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用ガス拡散層。
3. 前記第１層は、経糸また緯糸の少なくともいずれか一方が実質的に無撚りのカーボンクロスであることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池用ガス拡散層。
4. 前記第２層の目付けは、２〜１０ｇ／ｍ^２の範囲であることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の燃料電池用ガス拡散層。
5. 前記第２層の片面には、フッ素樹脂中にカーボン粒子を分散させた樹脂層を有していることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の燃料電池用ガス拡散層。

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