JP2021184370A

JP2021184370A - 燃料電池セル

Info

Publication number: JP2021184370A
Application number: JP2020089836A
Authority: JP
Inventors: 雄太池畑; Yuta Ikehata
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2020-05-22
Filing date: 2020-05-22
Publication date: 2021-12-02

Abstract

【課題】耐燃性に優れた燃料電池セルを提供する。【解決手段】膜電極接合体８と、微多孔質層で塗工されている、膜電極接合体８を挟む一対のカソードガス拡散層４及びアノードガス拡散層５と、導電性を有し、一対のカソードガス拡散層４及びアノードガス拡散層５を挟む一対のカソードセパレータ２２及びアノードセパレータ３２と、を備え、ＪＩＳＫ７２０１−２：２００７に準拠して測定される、膜電極接合体８の酸素指数が１５％以上であり、かつ、カソードガス拡散層４及びアノードガス拡散層５の酸素指数が９０％以上である。【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池セルに関する。

近年、高効率のエネルギー変換装置として、燃料電池が注目を集めている。中でも、電解質としてイオン伝導性を有する高分子電解質膜を用いる固体高分子形燃料電池は、定置用、車両用、携帯用等の電源として注目されている。燃料電池は、基本形態として、膜電極接合体が反応ガスを拡散させるためのガス拡散層によって挟持され、さらにガス流路を備えたセパレータによって挟持された形態を持ち、それは燃料電池セルとも称される。

上記のような燃料電池セルとして、例えば、下記特許文献１には、高分子電解質膜と、該高分子電解質膜の一面側に設けられた第１触媒層と、該第１触媒層の該高分子電解質膜と接しない側に設けられた第１拡散層と、該高分子電解質膜の他面側に設けられた第２触媒層と、該第２触媒層の該高分子電解質膜と接しない側に設けられた第２拡散層とを有する燃料電池セルが開示されている。

特開２００９−０８０９７４号公報

しかしながら、特許文献１に記載されるような燃料電池に用いられている触媒層や高分子電解質膜を備える膜電極接合体は、水素やプラチナナノ粒子を用いていることや、触媒及びポリマー電解質で構成されていることから、耐燃性を向上させる必要が高い。つまり、燃料電池が万一火に曝されるような場合にあっても、膜電極接合体に対して延焼を抑制させる耐燃性を付与する需要がある。燃料電池は、車載用、定置用のいずれであっても、このような耐燃性を付与することは、安全を確保するために重要である。

そこで、本発明は、耐燃性に優れた燃料電池セルを提供することを目的とする。

本発明に係る燃料電池セルは、膜電極接合体と、微多孔質層で塗工されている、膜電極接合体を挟む一対のガス拡散層と、導電性を有し、一対のガス拡散層を挟む一対のセパレータとを備え、ＪＩＳＫ７２０１−２：２００７に準拠して測定される、膜電極接合体の酸素指数が１５％以上であり、かつ、ガス拡散層の酸素指数が９０％以上である。

本発明によれば、耐燃性に優れた燃料電池セルを提供することが可能となる。

実施形態に係る燃料電池セルの概略構成を例示する図である。

添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態について説明する。なお、各図において、同一の符号を付したものは同一又は同様の構成を有する。

図１を参照し、実施形態に係る燃料電池セルの構成について説明する。燃料電池セル４０は、固体高分子型燃料電池（Polymer Electrolyte Fuel Cell：ＰＥＦＣ）であり、発電部を構成する膜電極接合体（Membrane Electrode Assembly：ＭＥＡ）８を、それをカソード側に配されるカソードガス拡散層４、及びアノード側に配されるアノードガス拡散層５（以下、カソードガス拡散層４とアノードガス拡散層５とを区別しない場合には、単にガス拡散層（Gas Diffusion Layer：ＧＤＬ）という。）とで挟持して、接合することで主要な構成要素としている。ガス拡散層は、膜電極接合体８を挟持するものであれば接合しなくともよいが、接合して挟持するものであることが、酸素指数が比較的低い膜電極接合体８を大気中に曝さない観点から好ましい。

ガス拡散層で挟持された膜電極接合体８を、カソード側に配され、酸化剤（空気）ガス流路２１を備えたカソードセパレータ２２及び燃料（水素）ガス流路３１を備えたアノードセパレータ３２（以下、カソードセパレータ２２とアノードセパレータ３２とを区別しない場合には、単にセパレータという。）とで挟持し、加圧締結することで、１つの燃料電池セル４０としている。

膜電極接合体８は、電解質膜１と、該電解質膜１の一方の面に接するカソード触媒層２と、電解質膜１の他方の面に接するアノード触媒層３（以下、カソード触媒層２とアノード触媒層３とを区別しない場合には、単に触媒層という。）とを有する。

カソードガス拡散層４のカソード触媒層２と反対側の面にはカソードセパレータ２２が接しており、アノードガス拡散層５のアノード触媒層３と反対側の面にはアノードセパレータ３２が接している。カソード触媒層２とカソードガス拡散層４とでカソード電極が構成され、アノード触媒層３とアノードガス拡散層５とでアノード電極が構成される。

電解質膜１は、特に限定されないが、例えば、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、延伸ＰＴＥＦ等である多孔質膜に、電解質が含浸されてなる多孔質補強層を備える。用いる電解質は、プロトン伝動性を有し、電子絶縁性であり、ガス不透過性であれば特に制限はないが、一例として、フッ素化アイオノマーが挙げられる。

カソード触媒層２は、カソードの発電反応に寄与するものであり、プロトン伝導性をもつ電解質成分と、触媒と、カーボン微粒子（導電性物質）とを有しており、プロトン伝導性、触媒活性、導電性を有する。アノード触媒層３はアノードの発電反応に寄与するものであり、プロトン伝導性をもつ電解質成分と、触媒と、カーボン微粒子（導電性物質）とを有しており、プロトン伝導性、触媒活性、導電性を有する。

ガス拡散層は、ガス透過性と電子伝導性を合わせ備えるものであり、カーボンペーパー又はカーボンクロスのような多孔性カーボン支持体が主に用いられる。また、ガス拡散層は発電時に生成する水の排水性を良好にするために高い撥水性を備えるため、微多孔質層（Micro Porous Layer：ＭＰＬ）で塗工されている。具体的には、カーボンペーパー又はカーボンクロスの表面にＰＴＦＥ等の樹脂溶液をコーティングした後、乾燥させる撥水化処理が施されている。ガス拡散層のサイズは、膜電極接合体８のサイズよりも大きいことが、酸素指数が比較的低い膜電極接合体８を大気中に曝さない観点から好ましい。

ガス拡散層の酸素指数は９０％以上であり、好ましくは９５％以上であり、より好ましくは１００％以上である。酸素指数がこのような範囲にあることにより、燃料電池の耐燃性に優れる。酸素指数がこのような範囲にあるガス拡散層を得るためには、多孔性カーボン支持体に対する微多孔質層の割合を、燃料電池の性能に影響を与えない限度で増大させたり、微多孔質層のコーティングにおける樹脂溶液の材質に耐燃性の高いものを選択すればよい。

膜電極接合体８の酸素指数は１５％以上であり、好ましくは２０％以上であり、より好ましくは３０％以上である。酸素指数がこのような範囲にあることにより、燃料電池の耐燃性に優れる。酸素指数がこのような範囲にある膜電極接合体を得るためには、上記のような酸素指数のガス拡散層を用い、電解質膜１に対するガス拡散層の割合を、燃料電池の性能に影響を与えない限度で増大させればよい。

上記「酸素指数」は、ＪＩＳＫ７２０１−２：２００７に準拠して測定される。より具体的には、後述する「測定条件」で測定される。

セパレータは、導電性を有し、燃料電池に使用されものであれば特に限定されない。例えば、炭素繊維を高濃度に含有し、樹脂との複合材からなるカーボンセパレータや、金属材料を用いた金属セパレータ等を用いることができる。金属セパレータとしては、耐腐食性に優れた金属材料からなるものや、表面をカーボンや耐腐食性に優れた金属材料等で被覆し、耐腐食性を高めるコーティングが施されたもの等が挙げられる。

以下、実施例によって実施形態を更に詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。

図１に示す各構成要素の性能を評価するために、下記のとおりに４種のサンプルを用意して、下記「測定条件」に従って酸素指数（％）を測定した。結果を表１に示す。
アノードＭＥＧＡ：膜電極接合体８の一面にカソードガス拡散層４を接合したもの
カソードＧＤＬ：カソードガス拡散層４
アノードＧＤＬ：アノードガス拡散層５
ＭＥＡ：膜電極接合体８

測定条件
規格：ＪＩＳＫ７２０１−２：２００７
機種：ＯＮ−２Ｍ（スガ試験機社製）
温度：２３℃
湿度：５１〜５４％ＲＨ
形状：サンプル名「ＭＥＡ」の場合はＩＩＩ型（９０ｍｍ×１０ｍｍ×０．１５ｍｍ）を用い、サンプル名「ＭＥＡ」の場合はＩＶ型（１４０ｍｍ×２０ｍｍ×０．０１ｍｍ）を用いた。
酸素指数（％）は、材料が燃焼を持続するのに最低限必要な酸素濃度を体積％で表した指標である。ここで、サンプル名「アノードＭＥＧＡ」、「ＭＥＡ」の酸素指数（％）は、ＪＩＳＫ７２０１で規定される燃焼挙動（試験片の燃焼時間が１８０秒を超える、又は、試験片頭部から下５０ｍｍを超える）を示す酸素濃度を示した。

大気中の酸素濃度は約２１％であるため、酸素指数が２１％超を示すものであれば、大気下で延焼し難いことを示す。したがって、表１に示すとおりサンプル名「ＭＥＧＡ」は３４．７％であり、このような膜電極接合体を備える燃料電池セルは、耐燃性に優れることが分かる。

４０…燃料電池セル、１…電解質膜、２…カソード触媒層、３…アノード触媒層、４…カソードガス拡散層、５…アノードガス拡散層、８…膜電極接合体（ＭＥＡ）、２１…酸化剤（空気）ガス流路、２２…カソードセパレータ、３１…燃料（水素）ガス流路、３２…アノードセパレータ

Claims

膜電極接合体と、
微多孔質層で塗工されている、前記膜電極接合体を挟む一対のガス拡散層と、
導電性を有し、前記一対のガス拡散層を挟む一対のセパレータと、を備え、
ＪＩＳＫ７２０１−２：２００７に準拠して測定される、前記膜電極接合体の酸素指数が１５％以上であり、かつ、前記ガス拡散層の酸素指数が９０％以上である、燃料電池セル。