JP2021180129A - 燃料電池セル、燃料電池、および燃料電池セルの製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
図1に示すように、本開示の一実施形態の燃料電池100は、燃料電池セル10と集電板11とを備えている。本実施形態では、燃料電池100は、一例として、厚み方向に積層された複数の燃料電池セル10を備えている。集電板11は、積層された燃料電池セル10の積層方向の両側にそれぞれ配置されている。集電板11の燃料電池セル10の積層方向における両側に、それぞれ絶縁板12および端板13が配置されている。図1の燃料電池100では、燃料電池セル10が集電板11、絶縁板12および端板13により所定の荷重で圧縮された状態で、燃料電池セル10、集電板11、絶縁板12および端板13が相互に締結されている。なお、燃料電池セル10は、1枚でもよい。また、複数の燃料電池セル10を積層する場合、隣り合う燃料電池セル10の間にはガスケット(図示せず)が設けられていてもよい。
(第1実施形態)
図2は、燃料電池セル10の分解斜視図である。図3は、図1のIII-III線に沿った断面図である。
図4は、本開示の第2実施形態に係る燃料電池セル10の図1のIII-III線に沿った断面図である。第2実施形態の燃料電池セル10では、第1ガス流路部5の上流に配置された第2ガス流路部6および第3ガス流路部15の上流に配置された第4ガス流路部16と、第1ガス流路部5の下流に配置された第2ガス流路部6および第3ガス流路部15の下流に配置された第4ガス流路部16とで、MEA20の積層方向に沿って見た平面視における流路面積が異なっている。なお、第2実施形態では、第1実施形態と同じ構成には同じ符号を付して、その説明を省略する。
次に、本開示の燃料電池セル10の製造方法を説明する。ここでは、アノード側ガス拡散層3aおよびカソード側ガス拡散層3bの製造方法について、図5のフローチャートに基づいて説明する。
(原料)
導電性粒子:アセチレンブラック(以下、ABという。)(電気化学工業製)
導電性繊維:VGCF(昭和電工製、VGCF−H)
フッ素樹脂:PTFEディスパージョン(ダイキン製)
図5のステップS3の一つ目の方法を用いてガス拡散層を次の通り作製した。導電性粒子と導電性繊維とを界面活性剤および水を用いて分散させ、撹拌、混錬した後、フッ素樹脂を投入し、再度撹拌、混錬して、混錬物を得た。次いで、圧延ロール機を用いて、0.1ton/cmの圧延条件で混錬物を3回圧延し、多孔度約71%の圧延シートを得た。同様に、圧延ロール機を用いて、0.1ton/cmの圧延条件で混錬物を4回圧延し、多孔度約66%の圧延シートを得た。多孔度約71%の圧延シートを第1ガス流路部5に対応するよう配置し、多孔度約66%の圧延シートを第2ガス流路部6に対応するよう配置し、圧延ロール機を用いて、0.1ton/cmの圧延条件で混錬物を1回圧延した。圧延したシートをIR炉内に配置し、300℃で0.5時間焼成を行った。ロールプレス機を用いて、1ton/cmの圧延条件で焼成したシートを2回圧延し、実施例1のガス拡散層を得た。
図5のステップS3の二つ目の方法を用いてガス拡散層を次の通り作製した。実施例1と同様の方法で、混錬物を得た。次いで、圧延ロール機を用いて、0.1ton/cmの圧延条件で混錬物を3回圧延し、多孔度約70%の圧延シートを得た。多孔度約70%の圧延シート上に、第2ガス流路部6に対応する箇所のみに多孔度約70%の圧延シートを2層になるよう積層した。その後、実施例1と同様の工程を同様の条件で行い、実施例2のガス拡散層を得た。
図5のステップS3の三つ目の方法を用いてガス拡散層を次の通り作製した。実施例1と同様の方法で、混錬物を得た。次いで、圧延ロール機を用いて、0.1ton/cmの圧延条件で混錬物を3回圧延し、多孔度約72%の圧延シートを得た。多孔度約72%の圧延シート上の第2ガス流路部6に対応する箇所のみに樹脂シート9(東レ・デュポン株式会社製、カプトンシート、厚み100μm)を積層した。その後、実施例1と同様の工程を同様の条件で行い、実施例3のガス拡散層を得た。
実施例1と同様の方法で、混錬物を得た。次いで、圧延ロール機を用いて、0.1ton/cmの圧延条件で混錬物を3回圧延し、多孔度約73%の圧延シートを得た。圧延シートをIR炉内に配置し、300℃で0.5時間焼成を行った。焼成したシートを、ロールプレス機を用いて1ton/cmの圧延条件で3回圧延し、比較例1のガス拡散層を得た。
実施例1〜3および比較例1のガス拡散層について、下記の評価試験を行った。実施例1〜3については、セパレータ4の第1ガス流路部5に対応する低弾性率部5’および第2ガス流路部6に対応する高弾性率部6’の両方に対して評価試験を行った。その結果を後掲の表1に示す。
圧縮弾性率は、以下の方法で測定した。引張圧縮試験機(今田製作所製SVZ−200NB型)を用いて、6.42cm2の大きさのガス拡散層に面圧20kgf/cm2までの荷重を加えて応力ひずみを算出し、圧縮弾性率を測定した。
膜厚は、以下の方法で測定した。ミツトヨのシックネスゲージを用いて、6.42cm2の大きさのガス拡散層の5か所の膜厚を測定し、平均値を膜厚とした。
多孔度は、以下の方法で測定した。ガス拡散層の各材料の真密度と組成比率から、ガス拡散層の見かけ真密度を算出した。次いで、ガス拡散層の重量、厚み、および縦横寸法を測定して、ガス拡散層の密度を算出し、多孔度=(ガス拡散層の密度)/(見かけ真密度)×100の式から、多孔度を計算した。
接触角は、以下の方法で測定した。接触角は、携帯式接触角計(マツボー製PG−X)で純水に対する静的接触角を測定した。
ガーレー数は、以下の方法で測定した。内部が油で満たされたた外筒と、内部にガスが封入された内筒とを有し、外筒の内部に内筒を入れると自重によって内筒が外筒の内部を徐々に降下し、内筒内のガスが圧縮される装置を用いた。この装置の外筒内に、6.42cm2の大きさのガス拡散層をセットし、100mLのガスが、外筒内にセットされたガス拡散層を透過するために要する時間を測定し、ガーレー数とした。
1 高分子電解質膜
2 触媒層
2a アノード触媒層
2b カソード触媒層
3 ガス拡散層
3a アノード側ガス拡散層
3b カソード側ガス拡散層
4 セパレータ
4a アノード側セパレータ
4b カソード側セパレータ
5 第1ガス流路部
5a アノードガス流路
5b カソードガス流路
5’低弾性率部
6 第2ガス流路部
6’高弾性率部
7 冷却媒体流路
8 ガス供給穴
8a アノードガス供給穴
8b カソードガス供給穴
8c 冷却媒体ガス供給穴
9 樹脂シート
10 燃料電池セル
11 集電板
12 絶縁板
13 端板
15 第3ガス流路部
16 第4ガス流路部
20 MEA
30 ガス拡散層
31 第1圧延シート
32 第2圧延シート
41、51 セパレータ本体
41a、51a、51b 面
42 第1溝
43 第1リブ
52 第2溝
53 第3溝
54 第2リブ
Claims (10)
- 積層方向に沿って順に積層された第1セパレータ、第1ガス拡散層、第1触媒層、高分子電解質膜、第2触媒層、第2ガス拡散層および第2セパレータと、
前記第1セパレータと前記第1ガス拡散層との間に設けられた第1ガス流路部と、
前記第1セパレータと前記第1ガス拡散層との間でかつ前記積層方向に交差する方向において前記第1ガス流路部に隣接して設けられ、前記積層方向に沿って見た平面視における流路面積が前記第1ガス流路部よりも大きい第2ガス流路部と、
を備え、
前記第1ガス拡散層は、
前記第1ガス流路部に対向する第1低弾性率部と、
前記第2ガス流路部に対向し、前記積層方向において前記第1低弾性率部よりも高い圧縮弾性率を有する第1高弾性率部と、
を有する、燃料電池セル。 - 前記第1低弾性率部は一層構造であり、前記第1高弾性率部は二層構造である、
請求項1に記載の燃料電池セル。 - 前記第1低弾性率部と前記第1高弾性率部との厚みが異なる、
請求項1又は2に記載の燃料電池セル。 - 前記第2セパレータと前記第2ガス拡散層との間に設けられた第3ガス流路部と、
前記第2セパレータと前記第2ガス拡散層との間でかつ前記積層方向に交差する方向において前記第3ガス流路部に隣接して設けられ、前記積層方向に沿って見た平面視における流路面積が前記第3ガス流路部よりも大きい第4ガス流路部と、
をさらに備え、
前記第2ガス拡散層は、
前記第3ガス流路部に対向する第2低弾性率部と、
前記第4ガス流路部に対向し、前記積層方向において前記第2低弾性率部よりも高い圧縮弾性率を有する第2高弾性率部と、
を有する、請求項1から3のいずれか1項に記載の燃料電池セル。 - 前記第2低弾性率部は一層構造であり、前記第2高弾性率部は二層構造である、
請求項4に記載の燃料電池セル。 - 前記第2低弾性率部と前記第2高弾性率部とは、前記積層方向の寸法が異なる、
請求項4又は5に記載の燃料電池セル。 - 請求項1〜6のいずれか1項に記載の燃料電池セルと、
前記燃料電池セルの前記積層方向の両側にそれぞれ配置された一対の集電板と、を備える、
燃料電池。 - 請求項1から6のいずれか1項に記載の燃料電池セルの製造方法であって、
前記第1低弾性率部の原料を混錬して作成した混錬物を圧延して、前記第1低弾性率部に対応する形状の第1圧延シートを形成することと、
前記第1低弾性率部の原料とは異なる組成の前記第1高弾性率部の原料を混錬して作成した混錬物を圧延して、前記第1高弾性率部に対応する形状の第2圧延シートを形成することと、
前記第1圧延シートを前記第1ガス流路部に対応する箇所に配置し、前記第2圧延シートを前記第2ガス流路部に対応する箇所に配置した後、前記第1圧延シートおよび前記第2圧延シートを圧延することで、前記第1ガス拡散層を形成することと、を含む、
燃料電池セルの製造方法。 - 請求項1から6のいずれか1項に記載の燃料電池セルの製造方法であって、
原料を混錬して作成した第1の混錬物を圧延して、前記第1ガス拡散層に対応する形状の第1圧延シートを形成することと、
前記原料を混錬して作成した第2の混錬物を圧延して、前記第1高弾性率部に対応する形状の第2圧延シートを形成することと、
前記第1圧延シートと前記第2圧延シートとを積層し圧延することで、前記第1ガス拡散層を形成することと、を含む、
燃料電池セルの製造方法。 - 請求項1から6のいずれか1項に記載の燃料電池セルの製造方法であって、
前記第1低弾性率部の原料を混錬して作成した混錬物を圧延して、前記第1低弾性率部に対応する形状の第1圧延シートを形成することと、
前記第1高弾性率部の原料を混錬して作成した混錬物を圧延して、前記第1高弾性率部に対応する形状の第2圧延シートを形成することと、
前記第1圧延シートを前記第1ガス流路部に対応する箇所に配置し、前記第2圧延シートを前記第2ガス流路部に対応する箇所に配置した後、前記第2圧延シートに前記第1高弾性率部に対応する形状の樹脂シートを積層させ、前記第1圧延シート、前記第2圧延シートおよび前記樹脂シートを圧延することで、前記第1ガス拡散層を形成することと、を含む、
燃料電池セルの製造方法。
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