JP3596773B2 - Polymer electrolyte fuel cell - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明の高分子電解質型燃料電池に関し、特にその構成要素である電極すなわちガス拡散電極のガス拡散層に関する。
【0002】
【従来の技術】
高分子電解質型燃料電池は、水素などの燃料ガスと空気などの酸化剤ガスを供給し(一般的に燃料ガス供給側をアノード電極と呼び、また酸化剤ガス供給側はカソード電極と呼ばれる)、白金などの触媒上で電気化学的に反応させるもので、電気と熱とを同時に発生させるものである。高分子電解質型燃料電池に用いられている高分子電解質は、十分に水で湿潤している状態の時に、必要とするイオン伝導度が保たれる。一方、電池としての電極反応は、触媒、高分子電解質、反応ガスの三相界面で生じる水の生成反応であり、供給するガス中の水蒸気や電極反応で生じる生成水が速やかに排出されないと、電極やガス拡散層内に水が滞留し、ガス拡散が悪くなり電池特性は低下してしまう。
【0003】
このような観点から、高分子電解質型燃料電池に用いる電極には、高分子電解質の保湿と水の排出を促進するための対策がとられている。一般的な電極としては、触媒層となる貴金属を担持した炭素粉末すなわち炭素粒子を、ガス拡散層となる多孔性カーボン支持体上に形成したものを用いる。
【0004】
多孔性カーボン支持体は、炭素繊維からなるカーボンペーパーなどのカーボン不織布やカーボンクロスなどが用いられる。これらの多孔性カーボン支持体は、予めポリテトラフルオロエチレン系材料の分散液などを用いて撥水処理を行い、電極反応で生じた生成水の排出が速やかに行われるようにし、また高分子電解質膜や電極中の高分子電解質が適度な湿潤状態になるようにするのが一般的である。また、これ以外の方法として、電極触媒層中に撥水処理を施した炭素粒子を混合して、電極触媒層中の余分な生成水を排出する対策もとられている。
【0005】
また、特開平8−124583号公報あるいは特開平6−262562号公報には、集電体がカーボンクロスで構成されており、その網目をガスの入口から出口に向かう方向に徐々に粗くしてガス拡散性を向上させた例が開示されている。
【特許文献1】
特開平8−124583号公報
【特許文献2】
特開平6−262562号公報
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
以上のように、従来の高分子電解質型燃料電池に用いる電極は、ガス拡散層となる多孔性カーボン支持体が用いられており、前記多孔性カーボン支持体としては炭素繊維からなるカーボンペーパーなどのカーボン不織布やカーボンクロスなどが用いられる。一般にカーボン不職布のガス透過性は等方的であるのに対し、カーボンクロスは網目に由来する細孔のために厚さ方向のガス透過性が面内方向よりも大きい。このため、一般にカーボンクロスの方が触媒層で生成した過剰の水分の排出性に優れる一方、水分の保水性はカーボン不職布の方が優れる。
【0007】
このようにガス拡散層の水分排出性と保水性はトレードオフの関係にあり、ガス拡散層で水の排出性と触媒層への保水性との両立が難しく、ある運転条件の下での最適な多孔性カーボン支持体を選択している状態である。
よって、放電電流が変化した場合や、供給されるガスの流量や加湿量が変わった時には触媒層の水分の不足状態または過剰の水分によるガスの閉塞状態が起こり、電池特性が低下するという課題があった。この課題は上記特開平8−124583号公報に記載された、網目をガスの入口から出口に向かう方向に徐々に粗くしてガス拡散性を向上させる方法では解決しない。
さらに、水分排出性と保水性のバランスをうまく保ちつつ、供給されるガスが充分に高分子電解質膜に到達することも必要である。
【0008】
すなわち触媒層で生成した水分を速やかにガス拡散層に吸出し、ガス拡散層内で蒸発させて電池外に効率よく排出することで電極触媒中に過剰な水が滞留することなく、しかも高分子電解質が適度な湿潤状態に保たれ、供給されるガスが充分に高分子電解質膜に到達するような設計を施した高性能な電極が求められている。
【0009】
また、カーボンクロスの網目の粗さを面方向で徐々に変化させることは、カーボンクロスの製造上困難を伴い、コスト高の要因となる。
【0010】
【課題を解決するための手段】
以上の課題を解決するために本発明においては、ガス拡散層のカーボン支持体に多孔の粗密分布を設けることを特徴とする。かつ、その多孔の粗密分布を設けるにあたり、2つの方式を提案する。
【0011】
本発明の第1の方式に基づく高分子電解質型燃料電池は、水素イオン伝導性高分子電解質膜と、前記水素イオン伝導性高分子電解質膜を挟むように配置された一対の電極からなる電解質膜−電極接合体と、前記電解質膜−電極接合体を挟むように配置されガス流路を有する一対のセパレータ板とを具備した燃料電池であって、前記各電極は前記水素イオン伝導性高分子電解質膜に接触した触媒層と、前記触媒層に接触したガス拡散層とを有し、前記ガス拡散層はカーボンクロスを含むカーボン支持体を含み、前記カーボン支持体は、少なくとも前記触媒層側の第1カーボン支持体層と、前記触媒層とは反対側で前記第1カーボン支持体層上に積層された第2カーボン支持体層との複数の層からなり、前記第1カーボン支持体層および前記第2カーボン支持体層の細孔分布は、前記第1カーボン支持体層が細かく、前記第2カーボン支持体層が粗く、かつ前記第1カーボン支持体層と第2カーボン支持体層が一体化されており、前記第1カーボン支持体層は、少なくとも横糸間間隔が狭い第1の横糸層を含み、前記第2カーボン支持体層は、少なくとも横糸間間隔が広い第2の横糸層を含み、前記第1カーボン支持体層および第2カーボン支持体層は、共通の縦糸で編んでなるカーボンクロスからなることを特徴とする。すなわち、その細孔分布は、触媒層側では、より多数のより小さい細孔が存在し、触媒層の反対側では、より少数のより大きい細孔が存在する。
【0012】
また、前記第1カーボン支持体層のカーボンクロスの網目が細かく、前記第2カーボン支持体層のカーボンクロスの網目が粗いことが有効である
【0013】
また、前記カーボン支持体は、太さの小さい糸を編んでなるカーボンクロスと太さの大きい糸を編んでなるカーボンクロスとからなることが有効である。
また、前記カーボン支持体は、カーボン不職布と前記カーボンクロスとを積層してなることが有効である。
【0014】
また、前記ガス拡散層は、その前記触媒層側に炭素粉末とフッ素樹脂を含む高分子含有導電層を有することが好ましい。
また、前記カーボン支持体が撥水処理されていることが好ましい。
【0015】
また、本発明の第2の方式に基づく高分子電解質型燃料電池は、水素イオン伝導性高分子電解質膜と、前記水素イオン伝導性高分子電解質膜を挟むように配置された一対の電極からなる電解質膜−電極接合体と、前記電解質膜−電極接合体を挟むように配置されガス流路を有する一対のセパレータ板とを具備した燃料電池であって、前記各電極は前記水素イオン伝導性高分子電解質膜に接触した触媒層と、前記触媒層に接触したガス拡散層とを有し、前記ガス拡散層はカーボンクロスを含み、前記カーボンクロスは、異なる大きさの網目が面方向に間欠的に分布していることを特徴とする。
【0016】
また、前記カーボンクロスは、太さの異なる複数の糸が面方向に周期的に配置されていることが有効である。
また、前記カーボンクロスは、横糸の間隔が面方向に周期的に変わることが有効である。
【0017】
また、前記ガス拡散層は、その前記触媒層側に炭素粉末とフッ素樹脂を含む高分子含有導電層を有することが好ましい。
また、前記カーボンクロスは、撥水処理されていることが好ましい。
【0018】
【発明の実施の形態】
本発明の基本となる高分子電解質型燃料電池の構成の概略を図1に模式的に示す。
図1において水素イオンを選択的に輸送する高分子電解質膜11の両面には白金系の金属触媒を担持したカーボン粉末を主成分とする触媒層12を密着して接するように配置する。さらに触媒層12の外面には、気孔を有する多孔性カーボン支持体で構成される一対のガス拡散層13を触媒層12に密着して接するように配置する。ガス拡散層13と触媒層12により電極14を構成する。なお、この電極はガス拡散電極と称することもできる。
【0019】
電極14の外側には、電極14と高分子電解質膜11とで形成した高分子電解質膜−電極接合体(以下、MEA)15を機械的に固定するとともに、隣接するMEA同士を互いに電気的に直列に接続し、さらに電極に反応ガスを供給し、かつ反応により発生した水や余剰のガスを運び去るためのガス流路16を一方の面に形成したセパレータ板17を配置する。ガス流路はセパレータ板17と別に設けることもできるが、セパレータ板の表面に溝を設けてガス流路とする方式が一般的である。また、高分子電解質膜11とセパレータ板17間には反応ガスの漏れを防止するためガスケット18を挟持する。
【0020】
電池運転時、カソード電極においては反応活物質である酸素または空気がガス拡散層を介してガス流路から触媒層へと拡散するとともに、反応によって生成され浸透効果により触媒層からガス拡散層へと浸透してきた過剰な水分をガス拡散層の気孔部から余剰ガスとともに電池外部へと除去する。
【0021】
本発明の第1の方式に基づく高分子電解質型燃料電池を構成するガス拡散層は多孔性カーボン支持体を具備し、その細孔分布が触媒層側で細かくセパレータ板側で粗いように傾斜されている。すなわちガス拡散層の厚み方向で細孔分布が異なる。より具体的には、その細孔分布は、触媒層側では、より多数のより小さい細孔が存在し、触媒層の反対側では、より少数のより大きい細孔が存在する。このような傾斜をつけることで、水の排出性と触媒層への保水性を両立できる。
【0022】
すなわち、触媒層の水分は細孔分布の細かいガス拡散層により触媒層内に保持されているが、過剰の水分が生成して触媒層から水分があふれ出してガス拡散層に水分が到達すると、水分はより細孔分布の粗い層に誘導され、速やかに触媒層から排出される。その際に細孔分布の粗い層では水分とガスが相分離した状態になり、水分の排出路とガスの通り道が分離されるために、水の排出性と触媒層への保水性を両立できる。
【0023】
また本発明の第2の方式に基づく高分子電解質型燃料電池のガス拡散層の構成要素である多孔性カーボン支持体に含まれるカーボンクロスは異なる大きさの網目が面方向に間欠的に分布している。すなわちカーボンクロスの面方向で細孔分布が異なる。すなわち大きな細孔と小さな細孔が間欠的に、より好ましくは周期的に、配置されていることにより、ガス拡散層での水の排出性と触媒層へのガス拡散性との両立を図ることができる。
触媒層から生成した過剰の水分は、大きな細孔に誘導され、速やかに触媒層から排出される。その際にガスは小さな細孔から拡散するので、水分の排出路とガスの通り道が分離されるために、水の排出性と触媒層へのガス拡散性を両立できる。
【0024】
本発明の第1および第2の方式に基づく高分子電解質型燃料電池を構成するガス拡散層は、触媒層側に炭素粉末とフッ素樹脂を含む高分子含有導電層を有していることが望ましい。これは触媒層の余剰の水を効率よく排出し、さらに多孔性カーボン支持体が水素イオン伝導性高分子膜にめりこんで電極が短絡することを防ぐ効果がある。
【0025】
本発明の第1の方式に基づく高分子電解質型燃料電池のように、細孔分布が触媒層側で細かくセパレータ板側で粗いようなガス拡散層を構成するためには、(1)網目の粗さが異なる複数のクロスを積層する、または(2)横糸の間隔が異なる複数の横糸層を共通の縦糸で編む、または(3)カーボン不職布とカーボンクロスを積層するという方法をとればよい。
【0026】
カーボンクロスの網目の粗さを変えるには、太さが異なる糸を用いることで容易に実現することができる。より太い糸を用いることにより、カーボンクロスの網目を粗くすることができる、すなわち、単位断面当たりの本数を少なくし、その結果、細孔の数をより少なくし、細孔の平均的な大きさをより大きくすることができる。
【0027】
これを、より具体的に、カーボンクロスの縦糸あるいは横糸のいずれかの長さ方向に平行する断面を横切る横糸あるいは縦糸の本数で表現すると次のようになる。すなわち、たとえば、太さ10μmの繊維をより合わせて作った太さ200μm、300μm、600μmの糸を用いた場合、その糸の本数は、切り口1インチ当たり(すなわち、1インチ×布厚の断面で)、それぞれ70本、60本、40本である。さらに、幅1mmの帯状の糸を用いた場合は、その糸の本数は切り口1インチ当たり12本である。
【0028】
また、カーボン不織布の細孔分布を変えるには、その嵩密度を変える。具体的には、嵩密度の異なるカーボンペーパーなどのカーボン不織布の中から所望の嵩密度のものを用いることにより、容易にカーボン不織布の細孔分布を変えることができる。より嵩密度の高いカーボン不織布を用いることにより、カーボン不織布中の細孔の数をより多くし、細孔の平均的な大きさをより小さくすることができる。別途カーボン不織布を作製しても良いが、市販のカーボン不織布の中から選択しても良い。
【0029】
市販のカーボン不織布としては、たとえば三菱レイヨン(株)製のカーボンペーパー(品番MFG−070、MFV4−120)の場合、嵩密度はそれぞれ0.44g/cmおよび0.49g/cmであり、東レ(株)製のカーボンペーパー(品番TGP−H−060)の場合、嵩密度は0.42〜0.46g/cmである。さらに、バラードマテリアルプロダクツ社製のカーボン不織布(品番AvCarb P50T)および日本カーボン(株)製のカーボン不織布(品番GF−20−N05)の場合、嵩密度はそれぞれ、0.28g/cmおよび0.06g/cmである。
【0030】
次に本発明の第2の方式に基づく高分子電解質型燃料電池のように、異なる大きさの網目が面方向に間欠的に、より好ましくは周期的に、分布しているようなカーボンクロスを構成するためには、(1)太さの異なる複数の糸を間欠的にあるいは周期的に配置する、または(2)横糸の間隔を間欠的にあるいは周期的に変える、という方法をとればよい。前記(1)および(2)において、必ずしも網目の分布は周期的である必要は無いが、分布がランダムの場合、面内で特性にバラツキが出るため、電池の電圧が下がる傾向にある。このため面内で均一な特性を確保するためには網目の分布が周期的であることが好ましい。
【0031】
網目の大きさは、隣り合う平行の糸の間隔で定義でき、より太い糸を配置することにより、その糸に隣接する網目を大きくすることができる。また糸の間隔を変えることにより、その糸に挟まれた網目の大きさを変えることができる。
これを、より具体的に、カーボンクロスの縦糸あるいは横糸のいずれかの隣り合う平行の糸の間隔で表現すると次のようになる。すなわち、たとえば、太さ10μmの繊維をより合わせて作った太さ300μmの糸数本毎に太さ600μmの糸を配置して作ったカーボンクロスの隣接する糸の間隔は、太さ300μmの糸同士の間隔は約0.42mmであるが、太さ300μmの糸と太さ600μmの糸の間隔は約0.53mmになる。
【0032】
また、太さ10μmの繊維をより合わせて作った太さ300μmの糸数本毎に糸を間引いて作ったカーボンクロスの隣接する糸の間隔は、間引かなかった部分の糸の間隔は約0.42mmであるが、間引いた部分では約0.84mmになる。
【0033】
本発明の第1および第2の方式に基づく高分子電解質型燃料電池のカーボンクロスまたはカーボン支持体は、高電流密度で運転する場合には撥水処理されていることが望ましい。これは、水の排出性を高め、高電流密度で放電した時でもガス拡散層内に水が滞留しないようにするためである。このような撥水処理として、ポリテトラフルオロエチレンを分散させた分散液をカーボンクロスまたはカーボン支持体に含侵させて熱処理する方法等がある。
【0034】
また、カーボンクロスは、炭素繊維の糸を編んで作ることもできるが、複雑な網目を構成しなければならない場合には、PAN(ポリアクリロニトリル)系繊維等からなる糸を編んで織布を作り、これを不活性ガス中で熱処理することで作る方法が有効である。不活性ガスとしては一般には窒素が用いられる。また熱処理温度は通常1000℃から2000℃が一般的である。
以下、実施例においてを具体的に説明する。
【0035】
【実施例】
《実施例1》
まず、図2に模式的に示すように、網目の粗さが触媒層側で細かくセパレータ板側で粗いように傾斜されたカーボンクロス20を作製した。
PAN系の太さ約10μmの繊維をより合せて太さ約300μmにした糸を第1層の横糸20aとし、PAN系の太さ約10μmの繊維をより合せて太さ約600μmにした糸を第2層の横糸20bとして、太さ約600μmの糸を第2層の縦糸20cに、太さ約300μmの糸を第1層と第2層をつなぐ縦糸20dとして編んだ布を作製した。
【0036】
この布を窒素雰囲気下2000℃で24時間加熱し、黒鉛化させてカーボンクロスを作製した。図1は、カーボンクロス20の断面および第2層側から見た表面を示している。
【0037】
このカーボンクロスにポリテトラフルオロエチレンの分散液(ダイキン工業(株)製:ルブロンLDW−40)を乾燥重量として10重量%含侵させた後、熱風乾燥機を用いて350℃で加熱することで撥水処理を行った。
さらに炭素粉末とフッ素樹脂からなる高分子含有導電層を形成した。すなわち炭素粉末としての電気化学工業(株)製:デンカブラックに、フッ素樹脂としてのポリテトラフルオロエチレンの分散液(ダイキン製:ルブロンLDW−40)を、乾燥重量として30重量%混合して作製した分散液を、前記撥水処理したカーボンクロスの網目の細かい側に塗工し、熱風乾燥機を用いて350℃で加熱することで高分子含有導電層を含むガス拡散層を形成した。
【0038】
次に電解質膜−電極接合体(MEA)を以下の方法で作成した。導電性炭素粉末に平均粒径約30Åの白金粒子を50重量%担持したもの(田中貴金属工業(株)製:TEC10E50E)10gに、水10gを加え、水素イオン伝導性高分子電解質の9重量%エタノール溶液(旭硝子(株)製:フレミオン)55gを混合し、触媒ぺ−ストを作製した。このペーストをポリプロピレンフィルム上にワイヤーバーを用いたバーコーティングにより塗布し、乾燥することで、酸化剤極側触媒層とした。触媒層の塗布量は、白金の含有量が1cm当り0.3mgになるように調整した。
【0039】
導電性炭素粉末に白金−ルテニウム合金を担持したもの(田中貴金属工業(株)製:TEC61E54)10gに、水10gを加え、水素イオン伝導性高分子電解質の9%エタノール溶液(旭硝子(株)製:フレミオン)50gを混合し、触媒ぺ−ストを作製した。このペーストをポリプロピレンフィルム上にワイヤーバーを用いたバーコーティングにより塗布し、乾燥することで、燃料極側触媒層とした。触媒層の塗布量は、白金の含有量が1cm当り0.3mgになるように調整した。
【0040】
この触媒層付きポリプロピレンフィルムをそれぞれ6cm角に切り、水素イオン伝導性高分子電解質膜(ジャパンゴアテックス(株)社製:ゴア−セレクト、膜厚30μm)を、前述した触媒層付きの2組のポリプロピレンフィルムで触媒層が内側になるように挟み、130℃で10分間ホットプレスした後、ポリプロピレンフィルムを除去し、触媒層付高分子電解質膜を得た。
【0041】
この触媒層付高分子電解質膜の両側にガス拡散層13を、その第1の層が内側になるように挟んでMEAとした。そのMEAを用い、図1に示す燃料電池特性測定用セル(単セル)を組み立て、試験を行った。
【0042】
単セルの温度は70℃に設定し、活物質として負極側には水素ガスを露点70℃で加湿し、利用率80%、正極には空気を露点60℃で加湿し、利用率40%に調製し、電流密度0から800mA/cm2の電流を流しながら放電試験を行ったところ、電流密度に関わらず良好な放電電圧を示した。図3にセルの電流密度―電圧特性を示した。これは、高分子電解質型燃料電池のセル内の排水性能と保水性能のバランスをうまく保つことができ、かつ供給ガスの高分子電解質膜への充分な供給を確保することができたためである。
【0043】
参考
図4に模式的に示すように、PAN系の太さ約10μmの繊維をより合せて太さ約300μmにした糸を平織りにした第1の布と、PAN系の太さ約10μmの繊維をより合せて太さ約600μmにした糸を平織りにした第2の布をそれぞれ窒素雰囲気下2000℃で24時間加熱し、黒鉛化させてカーボンクロス50を作製した。
【0044】
これらのカーボンクロス50を実施例1と同様に撥水処理を行い、第1の布から作ったカーボンクロス50aと第2の布から作ったカーボンクロス50bを重ね、第1の布から作ったカーボンクロス側に実施例1と同様に炭素粉末とフッ素樹脂からなる層を形成しガス拡散層を形成した。図4はカーボンクロスの断面および第2の布側から見た表面を示している。
【0045】
このガス拡散層を用いて実施例1と同様に燃料電池特性測定用セルを組み立て、放電試験を行ったところ、電流密度に関わらず良好な放電電圧を示した。図3にセルの電流密度―電圧特性を示した。
【0046】
《実施例
図5に模式的に示すように、PAN系の太さ約10μmの繊維をより合せて太さ約300μmにした糸と、約600μmにした糸を用いて、細い糸3本ごとに太い糸1本になるように縦糸60b、横糸60aをそれぞれ配し、平織りにした布を窒素雰囲気下2000℃で24時間加熱し、黒鉛化させてカーボンクロス60を作製した。
このカーボンクロス60を実施例1と同様に撥水処理および炭素粉末とフッ素樹脂からなる層の形成を行い、ガス拡散層を形成した。
図5はカーボンクロスの断面および表面を示している。
【0047】
このガス拡散層を用いて実施例1と同様に燃料電池特性測定用セルを組み立て、放電試験を行ったところ、電流密度に関わらず良好な放電電圧を示した。図3にセルの電流密度―電圧特性を示した。
【0048】
《実施例
図6に模式的に示すように、PAN系の太さ約10μmの繊維をより合せて太さ約300μmにした糸を用いて、糸3本ごとに糸1本分の隙間が開くように縦糸70b、横糸70aをそれぞれ配し、平織りにした布を窒素雰囲気下2000℃で24時間加熱し、黒鉛化させてカーボンクロスを作製した。
このカーボンクロス70を実施例1と同様に撥水処理および炭素粉末とフッ素樹脂からなる層の形成を行い、ガス拡散層を形成した。
図6は、カーボンクロスの断面および表面を示している。
【0049】
このガス拡散層を用いて実施例1と同様に燃料電池特性測定用セルを組み立て、放電試験を行ったところ、電流密度に関わらず良好な放電電圧を示した。図8にセルの電流密度―電圧特性を示した。
【0050】
《実施例
ガス拡散層に炭素粉末とフッ素樹脂からなる高分子含有導電層を形成しなかった以外は実施例1と同様にガス拡散層を形成した。
このガス拡散層を用いて実施例1と同様に燃料電池特性測定用セルを組み立て、放電試験を行ったところ、低電流密度においては電圧が低かったものの高電流密度においては高い放電電圧を示した。図8にセルの電流密度―電圧特性を示した。
【0051】
《実施例
カーボンクロスを撥水処理しなかった以外は実施例1と同様にガス拡散層を形成した。
このガス拡散層を用いて実施例1と同様に燃料電池特性測定用セルを組み立て、放電試験を行ったところ、高電流密度においては電圧が低かったものの低電流密度においては高い放電電圧を示した。図8にセルの電流密度―電圧特性を示した。
【0052】
《実施例
ガス拡散層に炭素粉末とフッ素樹脂からなる高分子含有導電層を形成せず、かつカーボンクロスの撥水処理もしなかった以外は実施例1と同様にガス拡散層を形成した。
このガス拡散層を用いて実施例1と同様に燃料電池特性測定用セルを組み立て、放電試験を行ったところ、高電流密度においては電圧が低かったものの低電流密度においては高い放電電圧を示した。図8にセルの電流密度―電圧特性を示した。
【0053】
参考
図9に模式的に示すように、PAN系の太さ約10μmの繊維をより合せて太さ約300μmにした糸を平織りにした布を窒素雰囲気下2000℃で24時間加熱し、黒鉛化させてカーボンクロス101を作製した。
このカーボンクロス101にカーボンペーパー102(東レ(株)製TGP-H-060、厚さ180μm)を重ねて多孔性カーボン支持体とした。
このカーボン支持体のカーボンペーパー側に実施例1と同様に炭素粉末とフッ素樹脂からなる層を形成しガス拡散層を形成した。図9はカーボン支持体の断面およびカーボンペーパー側から見た表面を示している。
【0054】
このガス拡散層を用いて実施例1と同様に燃料電池特性測定用セルを組み立て、放電試験を行ったところ、電流密度に関わらず良好な放電電圧を示した。図8にセルの電流密度―電圧特性を示した。
【0055】
これらの実施例2〜6ならびに参考例1および2においても、良好な放電電圧を得たのは、実施例1の場合と同様に、高分子電解質型燃料電池のセル内の排水性能と保水性能のバランスをうまく保つことができ、かつ供給ガスの高分子電解質膜への供給を確保することができたためである。
【0056】
なお、上記のいくつかの実施例と同様に▲1▼触媒層側に細かい網目のカーボンクロス、セパレータ板側に粗い網目のカーボンクロスを組み合わせる例、および▲2▼触媒層側に小さい細孔を多数有するカーボン不織布、セパレータ板側に粗い網目のカーボンクロスを組み合わせる例を種々試みた。その結果、▲1▼の場合に、最終的なセルの好ましい電流−電圧特性を得たのは、細かい網目のカーボンクロスとして、切り口1インチ当たり40〜70本の本数を有する物を用い、粗い網目のカーボンクロスとして、切り口1インチ当たり12〜60本の本数を有するものを用い、かつ、細かい網目のカーボンクロスの前記本数と粗い網目のカーボンクロスの前記本数との比が1.2倍以上の場合であった。
【0057】
また、▲2▼の場合に、最終的なセルの好ましい電流−電圧特性を得たのは、カーボン不織布として嵩密度0.06〜0.49g/cmのものであり(すなわち、上記に例示した市販のカーボン不織布はすべて有効に用いることが出来た)、粗い網目のカーボンクロスとして、切り口1インチ当たり12〜60本の本数を有するものを用いた場合であった。
【0058】
さらに、上記実施例では、小さい細孔を多数有する第1カーボン支持体層と、大きい細孔を多数有する第2カーボン支持体層の2層構造を例示したが、それを3層あるいはそれ以上の多層構造のものに変えても、その多層が、触媒層側のカーボン支持体層で小さい細孔を多数有し、その反対側(セパレータ板側)で大きい細孔を少数有する構造になっておれば、本発明の効果が発揮されることを別途確認した。
【0059】
《比較例》
図7に模式的に示すように、PAN系の太さ約10μmの繊維をより合せて太さ約300μmにした糸を平織りにした布を窒素雰囲気下2000℃で24時間加熱し、黒鉛化させてカーボンクロス80を作製した。
このカーボンクロス80を実施例1と同様に撥水処理および炭素粉末とフッ素樹脂からなる高分子含有導電層の形成を行い、ガス拡散層を形成した。
図7はカーボンクロスガス拡散層の断面および表面を示している。
【0060】
このガス拡散層を用いて実施例1と同様に燃料電池特性測定用セルを組み立て、放電試験を行ったところ、電流密度が高くなるに従って、放電電圧が低下した。図3にセルの電流密度―電圧特性を示した。
【0061】
【発明の効果】
以上のように、本発明に従うと、高分子電解質型燃料電池のセル内の排水性能と保水性能のバランスをうまく保つことができ、かつ供給ガスの高分子電解質膜への充分な供給を確保することができ、その結果、燃料電池の出力性能を高めることが出来た。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施形態および実施例における高分子電解質型燃料電池の概略を模式的に示した断面図である。
【図2】本発明の実施例1におけるカーボンクロスを模式的に示した一部断面斜視図である。
【図3】本発明の実施例1および実施例2、参考例1、ならびに比較例の単セルの電流密度−電圧特性を示した図である。
【図4】本発明の参考におけるカーボンクロスを模式的に示した一部断面斜視図である。
【図5】本発明の実施例におけるカーボンクロスを模式的に示した一部断面斜視図である。
【図6】本発明の実施例におけるカーボンクロスを模式的に示した一部断面斜視図である。
【図7】本発明の実施例と比較するための比較例におけるカーボンクロスを模式的に示した一部断面斜視図である。
【図8】本発明の実施例から実施例6および参考例2の単セルの電流密度−電圧特性を示した図である。
【図9】本発明の参考におけるカーボンクロス支持体を模式的に示した一部断面斜視図である。
[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a polymer electrolyte fuel cell of the present invention, and more particularly to a gas diffusion layer of an electrode, that is, a gas diffusion electrode, which is a constituent element thereof.
[0002]
[Prior art]
A polymer electrolyte fuel cell supplies a fuel gas such as hydrogen and an oxidant gas such as air (generally, the fuel gas supply side is called an anode electrode, and the oxidant gas supply side is called a cathode electrode). It reacts electrochemically on a catalyst such as platinum, and generates electricity and heat simultaneously. The required ionic conductivity of the polymer electrolyte used in the polymer electrolyte fuel cell is maintained when the polymer electrolyte is sufficiently wetted with water. On the other hand, the electrode reaction as a battery is a reaction of generating water at a three-phase interface of a catalyst, a polymer electrolyte, and a reaction gas.If water vapor in a supplied gas and water generated by the electrode reaction are not quickly discharged, Water accumulates in the electrodes and the gas diffusion layer, resulting in poor gas diffusion and poor battery characteristics.
[0003]
From such a viewpoint, for the electrodes used in the polymer electrolyte fuel cell, measures are taken to promote moisturization of the polymer electrolyte and discharge of water. As a general electrode, an electrode obtained by forming a carbon powder supporting a noble metal serving as a catalyst layer, that is, carbon particles, on a porous carbon support serving as a gas diffusion layer is used.
[0004]
As the porous carbon support, a carbon nonwoven fabric such as carbon paper made of carbon fiber, a carbon cloth, or the like is used. These porous carbon supports are subjected to a water-repellent treatment using a dispersion of a polytetrafluoroethylene-based material in advance, so that the water produced by the electrode reaction is promptly discharged, and a polymer electrolyte is used. In general, the polymer electrolyte in the membrane or the electrode is made to be in an appropriate wet state. In addition, as another method, a countermeasure for mixing water-repellent carbon particles into the electrode catalyst layer to discharge excess water generated in the electrode catalyst layer has been taken.
[0005]
In Japanese Patent Application Laid-Open Nos. 8-124581 and 6-262562, the current collector is made of carbon cloth, and the mesh is gradually roughened in the direction from the gas inlet to the gas outlet. An example with improved diffusivity is disclosed.
[Patent Document 1]
JP-A-8-124583
[Patent Document 2]
JP-A-6-262562
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
As described above, the electrode used in the conventional polymer electrolyte fuel cell uses a porous carbon support serving as a gas diffusion layer, and the porous carbon support includes a carbon paper made of carbon fiber or the like. Carbon nonwoven fabric, carbon cloth, or the like is used. Generally, the gas permeability of carbon nonwoven cloth is isotropic, whereas the gas permeability of carbon cloth in the thickness direction is larger than that in the in-plane direction due to pores derived from the mesh. For this reason, in general, carbon cloth is more excellent in discharging excess water generated in the catalyst layer, whereas water retention of water is better in carbon nonwoven cloth.
[0007]
As described above, there is a trade-off between the water discharge property and the water retention property of the gas diffusion layer, and it is difficult to achieve both the water discharge property and the water retention property of the catalyst layer in the gas diffusion layer, making it optimal under certain operating conditions. In this state, a suitable porous carbon support is selected.
Therefore, when the discharge current changes, or when the flow rate or humidification amount of the supplied gas changes, the catalyst layer may be in a state of insufficient moisture or a gas blocking state due to excessive moisture, and the battery characteristics may deteriorate. there were. This problem cannot be solved by the method disclosed in the above-mentioned Japanese Patent Application Laid-Open No. 8-124583, in which the mesh is gradually roughened in the direction from the gas inlet to the gas outlet to improve the gas diffusibility.
Further, it is necessary that the supplied gas sufficiently reaches the polymer electrolyte membrane while maintaining a good balance between the water discharging property and the water retention.
[0008]
That is, moisture generated in the catalyst layer is quickly sucked into the gas diffusion layer, evaporated in the gas diffusion layer and efficiently discharged out of the battery, so that excessive water does not stay in the electrode catalyst, and the polymer electrolyte There is a demand for a high-performance electrode designed to maintain a suitable wet state and allow the supplied gas to sufficiently reach the polymer electrolyte membrane.
[0009]
Further, gradually changing the roughness of the mesh of the carbon cloth in the plane direction involves difficulties in manufacturing the carbon cloth and causes an increase in cost.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above problems, the present invention is characterized in that a carbon support of a gas diffusion layer is provided with a porous density distribution. In addition, two methods are proposed for providing the density distribution of the porosity.
[0011]
A polymer electrolyte fuel cell based on the first method of the present invention is an electrolyte membrane comprising a hydrogen ion conductive polymer electrolyte membrane and a pair of electrodes arranged so as to sandwich the hydrogen ion conductive polymer electrolyte membrane. A fuel cell comprising: an electrode assembly; and a pair of separator plates having a gas flow path arranged so as to sandwich the electrolyte membrane-electrode assembly, wherein each of the electrodes is the hydrogen ion conductive polymer electrolyte. A catalyst layer in contact with the membrane, and a gas diffusion layer in contact with the catalyst layer, wherein the gas diffusion layer includes a carbon support containing carbon cloth, and the carbon support is at least a carbon support on the catalyst layer side. A plurality of carbon support layers, and a second carbon support layer laminated on the first carbon support layer on the side opposite to the catalyst layer, wherein the first carbon support layer and the second carbon support layer Second Pore distribution of Bon support layer, the first carbon support layer is finer, the second carbon support layer is rough, and the first carbon support layer and the second carbon support layer are integratedWherein the first carbon support layer includes at least a first weft layer having a small inter-weft spacing, and the second carbon support layer includes at least a second weft layer having a wide inter-weft spacing. The first carbon support layer and the second carbon support layer are made of carbon cloth knitted with a common warp yarn.It is characterized by the following. That is, the pore distribution is such that there are more smaller pores on the catalyst layer side and fewer smaller pores on the opposite side of the catalyst layer.
[0012]
Also,PreviousIt is effective that the mesh of the carbon cloth of the first carbon support layer is fine and the mesh of the carbon cloth of the second carbon support layer is coarse..
[0013]
Further, it is effective that the carbon support comprises a carbon cloth formed by knitting a yarn having a small thickness and a carbon cloth formed by knitting a yarn having a large thickness.
Further, it is effective that the carbon support is formed by laminating a carbon nonwoven cloth and the carbon cloth.
[0014]
Preferably, the gas diffusion layer has a polymer-containing conductive layer containing carbon powder and a fluororesin on the catalyst layer side.
Preferably, the carbon support is subjected to a water-repellent treatment.
[0015]
Further, a polymer electrolyte fuel cell based on the second method of the present invention includes a hydrogen ion conductive polymer electrolyte membrane and a pair of electrodes arranged so as to sandwich the hydrogen ion conductive polymer electrolyte membrane. A fuel cell comprising: an electrolyte membrane-electrode assembly; and a pair of separator plates having a gas flow path arranged so as to sandwich the electrolyte membrane-electrode assembly, wherein each of the electrodes has a high hydrogen ion conductivity. It has a catalyst layer in contact with a molecular electrolyte membrane, and a gas diffusion layer in contact with the catalyst layer, wherein the gas diffusion layer includes carbon cloth, and the carbon cloth has intermittent meshes of different sizes in a plane direction. Is characterized in that
[0016]
Further, it is effective that the carbon cloth has a plurality of yarns having different thicknesses arranged periodically in a plane direction.
In the carbon cloth, it is effective that the interval between the weft yarns changes periodically in the surface direction.
[0017]
Preferably, the gas diffusion layer has a polymer-containing conductive layer containing carbon powder and a fluororesin on the catalyst layer side.
Preferably, the carbon cloth has been subjected to a water-repellent treatment.
[0018]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
FIG. 1 schematically shows the configuration of a polymer electrolyte fuel cell which is the basis of the present invention.
In FIG. 1, on both surfaces of a polymer electrolyte membrane 11 for selectively transporting hydrogen ions, a catalyst layer 12 mainly composed of a carbon powder carrying a platinum-based metal catalyst is disposed so as to be in close contact with and contact with the polymer layer. Further, on the outer surface of the catalyst layer 12, a pair of gas diffusion layers 13 composed of a porous carbon support having pores are arranged so as to be in close contact with the catalyst layer 12. The electrode 14 is constituted by the gas diffusion layer 13 and the catalyst layer 12. This electrode can also be called a gas diffusion electrode.
[0019]
Outside the electrode 14, a polymer electrolyte membrane-electrode assembly (hereinafter, MEA) 15 formed of the electrode 14 and the polymer electrolyte membrane 11 is mechanically fixed, and adjacent MEAs are electrically connected to each other. A separator plate 17 which is connected in series, further supplies a reaction gas to the electrode, and has a gas flow path 16 formed on one surface for carrying away water and excess gas generated by the reaction is arranged. Although the gas flow path can be provided separately from the separator plate 17, a method in which a groove is provided on the surface of the separator plate to form a gas flow path is generally used. Further, a gasket 18 is sandwiched between the polymer electrolyte membrane 11 and the separator plate 17 to prevent leakage of the reaction gas.
[0020]
During battery operation, oxygen or air, which is a reaction active material, is diffused from the gas flow path to the catalyst layer through the gas diffusion layer at the cathode electrode, and is generated by the reaction, and from the catalyst layer to the gas diffusion layer by a permeation effect. Excess moisture that has permeated is removed from the pores of the gas diffusion layer to the outside of the battery together with excess gas.
[0021]
The gas diffusion layer constituting the polymer electrolyte fuel cell based on the first method of the present invention has a porous carbon support, and its pore distribution is inclined so as to be fine on the catalyst layer side and coarse on the separator plate side. ing. That is, the pore distribution differs in the thickness direction of the gas diffusion layer. More specifically, the pore distribution is such that on the catalyst layer side, there are a larger number of smaller pores and on the opposite side of the catalyst layer, a smaller number of larger pores. By providing such an inclination, it is possible to achieve both the water discharging property and the water retention of the catalyst layer.
[0022]
That is, the water in the catalyst layer is held in the catalyst layer by the gas diffusion layer having a fine pore distribution, but when excess water is generated and the water overflows from the catalyst layer and reaches the gas diffusion layer, The water is guided to a layer having a coarser pore distribution and is quickly discharged from the catalyst layer. At that time, in the layer having a coarse pore distribution, the water and the gas are in a phase-separated state, and the water discharge path and the gas passage are separated, so that both the water discharge property and the water retention property to the catalyst layer can be achieved. .
[0023]
Further, the carbon cloth contained in the porous carbon support which is a component of the gas diffusion layer of the polymer electrolyte fuel cell based on the second method of the present invention has meshes of different sizes intermittently distributed in the plane direction. ing. That is, the pore distribution differs in the plane direction of the carbon cloth. That is, the large pores and the small pores are arranged intermittently, more preferably periodically, so as to achieve both the water discharging property of the gas diffusion layer and the gas diffusing property to the catalyst layer. Can be.
Excess water generated from the catalyst layer is guided to large pores and is quickly discharged from the catalyst layer. At that time, the gas diffuses from the small pores, so that the water discharge passage and the gas passage are separated, so that both water discharge and gas diffusion to the catalyst layer can be achieved.
[0024]
The gas diffusion layer constituting the polymer electrolyte fuel cell based on the first and second methods of the present invention preferably has a polymer-containing conductive layer containing carbon powder and a fluororesin on the catalyst layer side. . This has the effect of efficiently discharging excess water from the catalyst layer and preventing the electrodes from being short-circuited due to the porous carbon support sinking into the proton conductive polymer membrane.
[0025]
In order to form a gas diffusion layer in which the pore distribution is fine on the catalyst layer side and coarse on the separator plate side as in the polymer electrolyte fuel cell based on the first method of the present invention, (1) the mesh A method of laminating a plurality of cloths having different roughnesses, or (2) knitting a plurality of weft layers having different spacings between weft yarns with a common warp yarn, or (3) laminating a carbon nonwoven cloth and a carbon cloth. Good.
[0026]
The roughness of the mesh of the carbon cloth can be easily changed by using yarns having different thicknesses. By using a thicker thread, the mesh of the carbon cloth can be coarsened, i.e., the number per unit cross section is reduced, and as a result, the number of pores is reduced, and the average size of the pores is reduced. Can be made larger.
[0027]
This is more specifically expressed by the number of weft yarns or warp yarns crossing a cross section parallel to the longitudinal direction of either the warp yarns or the weft yarns of the carbon cloth as follows. That is, for example, when yarns having a thickness of 200 μm, 300 μm, and 600 μm, which are made by twisting fibers having a thickness of 10 μm, are used, the number of the yarns is per inch of a cut end (that is, in a cross section of 1 inch × cloth thickness). ), 70, 60 and 40 respectively. Further, in the case of using a band-shaped yarn having a width of 1 mm, the number of the yarns is 12 per inch of a cut end.
[0028]
In order to change the pore distribution of the carbon nonwoven fabric, the bulk density is changed. Specifically, the pore distribution of the carbon nonwoven fabric can be easily changed by using a carbon nonwoven fabric having a desired bulk density among carbon nonwoven fabrics such as carbon paper having different bulk densities. By using a carbon nonwoven fabric having a higher bulk density, the number of pores in the carbon nonwoven fabric can be increased, and the average size of the pores can be reduced. Although a carbon nonwoven fabric may be separately manufactured, it may be selected from commercially available carbon nonwoven fabrics.
[0029]
As a commercially available carbon nonwoven fabric, for example, in the case of carbon paper (product number MFG-070, MFV4-120) manufactured by Mitsubishi Rayon Co., the bulk density is 0.44 g / cm.3And 0.49 g / cm3In the case of carbon paper (product number TGP-H-060) manufactured by Toray Industries, the bulk density is 0.42 to 0.46 g / cm.3It is. Furthermore, in the case of carbon nonwoven fabric (manufactured by Ballard Material Products) (product number AvCarb P50T) and carbon nonwoven fabric (manufactured by Nippon Carbon Co., Ltd. (product number GF-20-N05)), the bulk density is 0.28 g / cm, respectively.3And 0.06 g / cm3It is.
[0030]
Next, as in the polymer electrolyte fuel cell based on the second method of the present invention, a carbon cloth in which meshes of different sizes are intermittently distributed in the plane direction, more preferably periodically, is formed. In order to configure, a method of (1) intermittently or periodically arranging a plurality of yarns having different thicknesses, or (2) intermittently or periodically changing an interval between weft yarns may be adopted. . In the above (1) and (2), the distribution of the mesh does not necessarily have to be periodic, but if the distribution is random, the characteristics will vary in the plane, and the battery voltage tends to decrease. For this reason, it is preferable that the distribution of meshes is periodic in order to ensure uniform characteristics in the plane.
[0031]
The size of the mesh can be defined by the interval between adjacent parallel yarns, and by arranging a thicker yarn, the mesh adjacent to the yarn can be enlarged. Further, by changing the interval between the yarns, the size of the mesh sandwiched between the yarns can be changed.
This can be expressed more specifically as the interval between adjacent parallel yarns of either the warp yarn or the weft yarn of the carbon cloth as follows. That is, for example, the interval between adjacent yarns of carbon cloth made by arranging 600 μm thick yarns every 300 μm yarns made by twisting 10 μm thick fibers is 300 μm thick yarns. Is about 0.42 mm, but the distance between a 300 μm thick yarn and a 600 μm thick yarn is about 0.53 mm.
[0032]
Further, the interval between adjacent yarns of the carbon cloth made by thinning out several yarns of 300 μm in thickness made by twisting fibers of 10 μm in thickness is about 0. It is 42 mm, but it is about 0.84 mm in the thinned part.
[0033]
The carbon cloth or the carbon support of the polymer electrolyte fuel cell based on the first and second systems of the present invention is desirably subjected to a water-repellent treatment when operating at a high current density. This is to enhance the water discharge property and prevent water from staying in the gas diffusion layer even when discharging at a high current density. As such a water-repellent treatment, there is a method in which a dispersion in which polytetrafluoroethylene is dispersed is impregnated into a carbon cloth or a carbon support and heat-treated.
[0034]
Carbon cloth can be made by knitting carbon fiber yarns. However, if a complicated mesh must be formed, knitting yarns made of PAN (polyacrylonitrile) fiber or the like to make a woven fabric. An effective method is to make it by heat treatment in an inert gas. Generally, nitrogen is used as the inert gas. The heat treatment temperature is generally from 1000 ° C. to 2000 ° C.
Hereinafter, embodiments will be specifically described.
[0035]
【Example】
<< Example 1 >>
First, as schematically shown in FIG. 2, a carbon cloth 20 was prepared in which the mesh roughness was fine so as to be fine on the catalyst layer side and coarse on the separator plate side.
A yarn having a thickness of about 300 μm made by twisting PAN-based fibers having a thickness of about 10 μm is referred to as a first layer weft yarn 20a, and a yarn having a thickness of about 600 μm obtained by twisting PAN-based fibers having a thickness of about 10 μm. As the second layer weft yarn 20b, a fabric was prepared in which a yarn having a thickness of about 600 μm was knitted as a warp yarn 20c of the second layer, and a yarn having a thickness of about 300 μm was formed as a warp yarn 20d connecting the first and second layers.
[0036]
This cloth was heated at 2000 ° C. for 24 hours in a nitrogen atmosphere to be graphitized to prepare a carbon cloth. FIG. 1 shows a cross section of the carbon cloth 20 and a surface viewed from the second layer side.
[0037]
The carbon cloth was impregnated with a dispersion of polytetrafluoroethylene (Rublon LDW-40 manufactured by Daikin Industries, Ltd.) at a dry weight of 10% by weight, and then heated at 350 ° C. using a hot air dryer. Water repellency treatment was performed.
Further, a polymer-containing conductive layer made of carbon powder and a fluororesin was formed. That is, a dispersion of polytetrafluoroethylene as a fluororesin (Rublon LDW-40, manufactured by Daikin) was mixed with Denka Black manufactured by Denki Kagaku Kogyo Co., Ltd. as carbon powder at a dry weight of 30% by weight. The dispersion was applied to the fine side of the mesh of the water-repellent carbon cloth, and heated at 350 ° C. using a hot air drier to form a gas diffusion layer including a polymer-containing conductive layer.
[0038]
Next, an electrolyte membrane-electrode assembly (MEA) was prepared by the following method. 10 g of water was added to 10 g of a conductive carbon powder carrying 50% by weight of platinum particles having an average particle diameter of about 30 ° (manufactured by Tanaka Kikinzoku Kogyo KK: TEC10E50E), and 9% by weight of the hydrogen ion conductive polymer electrolyte was added. 55 g of an ethanol solution (Flemion, manufactured by Asahi Glass Co., Ltd.) was mixed to prepare a catalyst paste. This paste was applied on a polypropylene film by bar coating using a wire bar, and dried to form an oxidant electrode-side catalyst layer. The coating amount of the catalyst layer is such that the platinum content is 1 cm.2It was adjusted to be 0.3 mg per unit.
[0039]
To 10 g of a conductive carbon powder carrying a platinum-ruthenium alloy (Tanaka Kikinzoku Kogyo KK: TEC61E54), 10 g of water was added, and a 9% ethanol solution of a hydrogen ion conductive polymer electrolyte (manufactured by Asahi Glass Co., Ltd.) : Flemion) to prepare a catalyst paste. This paste was applied on a polypropylene film by bar coating using a wire bar, and dried to form a fuel electrode side catalyst layer. The coating amount of the catalyst layer is such that the platinum content is 1 cm.2It was adjusted to be 0.3 mg per unit.
[0040]
This polypropylene film with a catalyst layer was cut into 6 cm squares, and a hydrogen ion conductive polymer electrolyte membrane (manufactured by Japan Gore-Tex Co., Ltd .: Gore-Select, film thickness: 30 μm) was formed into two sets of the above-described catalyst layer-attached layers. After sandwiching the catalyst layer with a polypropylene film on the inside and hot pressing at 130 ° C. for 10 minutes, the polypropylene film was removed to obtain a polymer electrolyte membrane with a catalyst layer.
[0041]
An MEA was formed by sandwiching the gas diffusion layers 13 on both sides of the polymer electrolyte membrane with a catalyst layer such that the first layer was on the inside. Using the MEA, a fuel cell characteristic measuring cell (single cell) shown in FIG. 1 was assembled and tested.
[0042]
The temperature of the single cell was set to 70 ° C., and as an active material, hydrogen gas was humidified on the negative electrode side at a dew point of 70 ° C., and the utilization was 80%. When prepared and subjected to a discharge test while passing a current of 0 to 800 mA / cm 2, a good discharge voltage was shown regardless of the current density. FIG. 3 shows the current density-voltage characteristics of the cell. This is because the balance between the drainage performance and the water retention performance in the cell of the polymer electrolyte fuel cell could be well maintained, and a sufficient supply of supply gas to the polymer electrolyte membrane could be ensured.
[0043]
referenceAn example1
As schematically shown in FIG. 4, a first cloth in which a yarn having a thickness of about 300 μm is formed by twisting PAN-based fibers of about 10 μm into a plain weave, and a PAN-based fiber of about 10 μm in thickness are combined. Each of the second cloths having a thickness of about 600 μm and having a plain weave was heated at 2000 ° C. for 24 hours in a nitrogen atmosphere to be graphitized to prepare a carbon cloth 50.
[0044]
These carbon cloths 50 are subjected to a water-repellent treatment in the same manner as in Example 1, and a carbon cloth 50a made of the first cloth and a carbon cloth 50b made of the second cloth are overlapped to form a carbon cloth made of the first cloth. A layer made of carbon powder and a fluororesin was formed on the cloth side in the same manner as in Example 1 to form a gas diffusion layer. FIG. 4 shows a cross section of the carbon cloth and a surface viewed from the second cloth side.
[0045]
Using this gas diffusion layer, a cell for measuring fuel cell characteristics was assembled in the same manner as in Example 1, and a discharge test was performed. As a result, a good discharge voltage was exhibited regardless of the current density. FIG. 3 shows the current density-voltage characteristics of the cell.
[0046]
"Example2
As schematically shown in FIG. 5, using a yarn having a thickness of about 300 μm by twisting PAN-based fibers having a thickness of about 10 μm and a yarn having a thickness of about 600 μm, a thick yarn 1 is used for every three thin yarns. The warp yarns 60b and the weft yarns 60a were arranged so as to form a book, and the plain woven cloth was heated at 2000 ° C. for 24 hours in a nitrogen atmosphere to be graphitized, thereby producing the carbon cloth 60.
This carbon cloth 60 was subjected to a water-repellent treatment and the formation of a layer composed of carbon powder and a fluororesin in the same manner as in Example 1 to form a gas diffusion layer.
FIG. 5 shows a cross section and a surface of the carbon cloth.
[0047]
Using this gas diffusion layer, a cell for measuring fuel cell characteristics was assembled in the same manner as in Example 1, and a discharge test was performed. As a result, a good discharge voltage was exhibited regardless of the current density. FIG. 3 shows the current density-voltage characteristics of the cell.
[0048]
"Example3
As schematically shown in FIG. 6, a warp yarn is formed by twisting PAN-based fibers having a thickness of about 10 μm to a thickness of about 300 μm so that a gap of one yarn is opened for every three yarns. 70b and the weft 70a were arranged, respectively, and the plain-woven cloth was heated at 2000 ° C. for 24 hours in a nitrogen atmosphere to be graphitized to prepare a carbon cloth.
This carbon cloth 70 was subjected to a water-repellent treatment and the formation of a layer made of carbon powder and a fluororesin in the same manner as in Example 1 to form a gas diffusion layer.
FIG. 6 shows a cross section and a surface of the carbon cloth.
[0049]
Using this gas diffusion layer, a cell for measuring fuel cell characteristics was assembled in the same manner as in Example 1, and a discharge test was performed. As a result, a good discharge voltage was exhibited regardless of the current density. FIG. 8 shows the current density-voltage characteristics of the cell.
[0050]
"Example4
A gas diffusion layer was formed in the same manner as in Example 1 except that a polymer-containing conductive layer made of carbon powder and a fluororesin was not formed on the gas diffusion layer.
Using this gas diffusion layer, a cell for measuring fuel cell characteristics was assembled in the same manner as in Example 1, and a discharge test was performed. As a result, although the voltage was low at a low current density, a high discharge voltage was exhibited at a high current density. . FIG. 8 shows the current density-voltage characteristics of the cell.
[0051]
"Example5
A gas diffusion layer was formed in the same manner as in Example 1 except that the carbon cloth was not subjected to the water-repellent treatment.
A cell for measuring fuel cell characteristics was assembled using this gas diffusion layer in the same manner as in Example 1, and a discharge test was performed. As a result, the voltage was low at a high current density, but a high discharge voltage was exhibited at a low current density. . FIG. 8 shows the current density-voltage characteristics of the cell.
[0052]
"Example6
A gas diffusion layer was formed in the same manner as in Example 1 except that a polymer-containing conductive layer made of carbon powder and a fluororesin was not formed on the gas diffusion layer, and a water-repellent treatment of carbon cloth was not performed.
A cell for measuring fuel cell characteristics was assembled using this gas diffusion layer in the same manner as in Example 1, and a discharge test was performed. As a result, the voltage was low at a high current density, but a high discharge voltage was exhibited at a low current density. . FIG. 8 shows the current density-voltage characteristics of the cell.
[0053]
referenceAn example2
As schematically shown in FIG. 9, a plain weave of a yarn having a thickness of about 300 μm made by twisting PAN-based fibers of about 10 μm is heated in a nitrogen atmosphere at 2000 ° C. for 24 hours to be graphitized. Thus, a carbon cloth 101 was produced.
A carbon paper 102 (TGP-H-060, thickness 180 μm, manufactured by Toray Industries, Inc.) was overlaid on the carbon cloth 101 to form a porous carbon support.
A layer made of carbon powder and a fluororesin was formed on the carbon paper side of the carbon support in the same manner as in Example 1 to form a gas diffusion layer. FIG. 9 shows the cross section of the carbon support and the surface viewed from the carbon paper side.
[0054]
Using this gas diffusion layer, a cell for measuring fuel cell characteristics was assembled in the same manner as in Example 1, and a discharge test was performed. As a result, a good discharge voltage was exhibited regardless of the current density. FIG. 8 shows the current density-voltage characteristics of the cell.
[0055]
These Examples 2 to6 and Reference Examples 1 and 2The reason why a good discharge voltage was obtained in Example 1 was that the balance between the drainage performance and the water retention performance in the cell of the polymer electrolyte fuel cell could be well maintained, and the supply gas This is because the supply to the polymer electrolyte membrane could be secured.
[0056]
As in some of the above embodiments, (1) an example of combining fine mesh carbon cloth on the catalyst layer side and a coarse mesh carbon cloth on the separator plate side, and (2) small pores on the catalyst layer side Various attempts were made to combine a large number of carbon nonwoven fabrics and a coarse mesh carbon cloth on the separator plate side. As a result, in the case of (1), the preferable current-voltage characteristic of the final cell was obtained by using a fine mesh carbon cloth having a number of 40 to 70 pieces per one inch of a cut, and using a coarse cloth. As the carbon cloth of the mesh, a carbon cloth having a number of 12 to 60 pieces per 1 inch of cut is used, and the ratio between the number of the fine carbon cloth and the number of the coarse carbon cloth is 1.2 times or more. Was the case.
[0057]
In the case of (2), the preferable current-voltage characteristics of the final cell were obtained because the carbon nonwoven fabric had a bulk density of 0.06 to 0.49 g / cm.3(That is, all of the commercially available carbon nonwoven fabrics exemplified above could be effectively used), and when using a coarse mesh carbon cloth having 12 to 60 wires per inch of cut end Met.
[0058]
Further, in the above embodiment, the two-layer structure of the first carbon support layer having many small pores and the second carbon support layer having many large pores has been exemplified. Even if it is changed to a multi-layer structure, the multi-layer structure has many small pores on the carbon support layer on the catalyst layer side and few large pores on the opposite side (separator plate side). For example, it was separately confirmed that the effects of the present invention were exhibited.
[0059]
<< Comparative Example >>
As schematically shown in FIG. 7, a PAN-based fiber having a thickness of about 300 μm made by twisting fibers of about 10 μm in thickness and plain-woven is heated in a nitrogen atmosphere at 2000 ° C. for 24 hours to be graphitized. Thus, a carbon cloth 80 was produced.
This carbon cloth 80 was subjected to a water-repellent treatment and the formation of a polymer-containing conductive layer made of carbon powder and a fluororesin in the same manner as in Example 1, thereby forming a gas diffusion layer.
FIG. 7 shows a cross section and a surface of the carbon cloth gas diffusion layer.
[0060]
A cell for measuring fuel cell characteristics was assembled using this gas diffusion layer in the same manner as in Example 1, and a discharge test was performed. As the current density increased, the discharge voltage decreased. FIG. 3 shows the current density-voltage characteristics of the cell.
[0061]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, the balance between drainage performance and water retention performance in a cell of a polymer electrolyte fuel cell can be well maintained, and sufficient supply of a supply gas to a polymer electrolyte membrane can be ensured. As a result, the output performance of the fuel cell could be improved.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of a polymer electrolyte fuel cell according to an embodiment and an example of the present invention.
FIG. 2 is a partial cross-sectional perspective view schematically illustrating a carbon cloth according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a first embodiment of the present invention.andExample2, Reference Example 1, andFIG. 7 is a diagram illustrating current density-voltage characteristics of a single cell of a comparative example.
FIG. 4 of the present invention.referenceAn example1FIG. 2 is a partial cross-sectional perspective view schematically showing a carbon cloth in FIG.
FIG. 5 shows an embodiment of the present invention.2FIG. 2 is a partial cross-sectional perspective view schematically showing a carbon cloth in FIG.
FIG. 6 shows an embodiment of the present invention.3FIG. 2 is a partial cross-sectional perspective view schematically showing a carbon cloth in FIG.
FIG. 7 is a partial cross-sectional perspective view schematically showing a carbon cloth in a comparative example for comparison with the example of the present invention.
FIG. 8 shows an embodiment of the present invention.3From Example6 and Reference Example 2FIG. 4 is a diagram showing current density-voltage characteristics of the single cell of FIG.
FIG. 9 of the present invention.referenceAn example2FIG. 2 is a partial cross-sectional perspective view schematically showing a carbon cloth support in FIG.

Claims (11)

水素イオン伝導性高分子電解質膜と、前記水素イオン伝導性高分子電解質膜を挟むように配置された一対のガス拡散電極とからなる電解質膜−電極接合体と、前記電解質膜−電極接合体を挟むように配置されたガス流路を有する一対のセパレータ板とを具備した燃料電池であって、前記各ガス拡散電極は前記水素イオン伝導性高分子電解質膜に接触した触媒層と、前記触媒層に接触したガス拡散層とを具備し、前記ガス拡散層はカーボンクロスを含むカーボン支持体を含み、前記カーボン支持体は、少なくとも前記触媒層側の第1カーボン支持体層と、前記触媒層側とは反対側で前記第1カーボン支持体層上に積層された第2カーボン支持体層との複数の層からなり、前記第1カーボン支持体層および前記第2カーボン支持体層の細孔分布は前記第1カーボン支持体層が細かく前記第2カーボン支持体層が粗く、かつ前記第1カーボン支持体層と第2カーボン支持体層が一体化されており、前記第1カーボン支持体層は、少なくとも横糸間間隔が狭い第1の横糸層を含み、前記第2カーボン支持体層は、少なくとも横糸間間隔が広い第2の横糸層を含み、前記第1カーボン支持体層および第2カーボン支持体層は、共通の縦糸で編んでなるカーボンクロスからなることを特徴とする高分子電解質型燃料電池。A hydrogen ion conductive polymer electrolyte membrane, an electrolyte membrane-electrode assembly comprising a pair of gas diffusion electrodes arranged so as to sandwich the hydrogen ion conductive polymer electrolyte membrane, and the electrolyte membrane-electrode assembly A fuel cell comprising: a pair of separator plates each having a gas flow path interposed therebetween, wherein each of the gas diffusion electrodes is a catalyst layer in contact with the hydrogen ion conductive polymer electrolyte membrane; and A gas diffusion layer in contact with the gas diffusion layer, the gas diffusion layer includes a carbon support containing carbon cloth, the carbon support is at least a first carbon support layer on the catalyst layer side, and the catalyst layer side And a second carbon support layer laminated on the first carbon support layer on a side opposite to the first carbon support layer, and a pore distribution of the first carbon support layer and the second carbon support layer. Is Serial first carbon backing layer finely the second carbon support layer is rough, and the first carbon support layer and the second carbon support layer are integrated, the first carbon support layer, The second carbon support layer includes at least a first weft layer with a narrow inter-weft spacing, the second carbon support layer includes a second weft layer with at least a wide inter-weft spacing, and the first carbon support layer and the second carbon support. A polymer electrolyte fuel cell , wherein the layers are made of carbon cloth knitted with a common warp . 記第1カーボン支持体層のカーボンクロスの網目が細かく、前記第2カーボン支持体層のカーボンクロスの網目が粗い請求項1記載の高分子電解質型燃料電池。 Before SL carbon cloth mesh is finer the first carbon support layer, a polymer electrolyte fuel cell of the mesh is coarse claim 1, wherein the carbon cloth of the second carbon support layer. 前記カーボン支持体は、太さの小さい糸を編んでなるカーボンクロスと太さの大きい糸を編んでなるカーボンクロスとからなる請求項1記載の高分子電解質型燃料電池。2. The polymer electrolyte fuel cell according to claim 1, wherein the carbon support comprises a carbon cloth formed by knitting a yarn having a small thickness and a carbon cloth formed by knitting a yarn having a large thickness. 前記カーボン支持体は、カーボン不織布と前記カーボンクロスとを積層してなる請求項1記載の高分子電解質型燃料電池。The polymer electrolyte fuel cell according to claim 1, wherein the carbon support is formed by laminating a carbon nonwoven fabric and the carbon cloth. 前記ガス拡散層は、その前記触媒層側に導電性炭素粉末とフッ素樹脂を含む高分子含有導電層を有する請求項1記載の高分子電解質型燃料電池。The polymer electrolyte fuel cell according to claim 1, wherein the gas diffusion layer has a polymer-containing conductive layer containing conductive carbon powder and a fluororesin on the catalyst layer side. 前記カーボン支持体は、撥水処理されている請求項1記載の高分子電解質型燃料電池。The polymer electrolyte fuel cell according to claim 1, wherein the carbon support is subjected to a water-repellent treatment. 水素イオン伝導性高分子電解質膜と、前記水素イオン伝導性高分子電解質膜を挟むように配置された一対のガス拡散電極とからなる電解質膜−電極接合体と、前記電解質膜−電極接合体を挟むように配置されたガス流路を有する一対のセパレータ板とを具備した燃料電池であって、前記各ガス拡散電極は前記水素イオン伝導性高分子電解質膜に接触した触媒層と、前記触媒層に接触したガス拡散層とを有し、前記ガス拡散層はカーボンクロスを含むカーボン支持体を具備し、前記ガス拡散層はカーボンクロスを含み、前記カーボンクロスは、異なる大きさの網目が面方向に間欠的に分布していることを特徴とする高分子電解質型燃料電池。A hydrogen ion conductive polymer electrolyte membrane, an electrolyte membrane-electrode assembly comprising a pair of gas diffusion electrodes arranged so as to sandwich the hydrogen ion conductive polymer electrolyte membrane, and the electrolyte membrane-electrode assembly A fuel cell comprising: a pair of separator plates each having a gas flow path interposed therebetween; wherein each of the gas diffusion electrodes is a catalyst layer in contact with the proton conductive polymer electrolyte membrane; and A gas diffusion layer in contact with the gas diffusion layer, wherein the gas diffusion layer comprises a carbon support containing carbon cloth, wherein the gas diffusion layer comprises carbon cloth, A polymer electrolyte fuel cell characterized by being intermittently distributed in a cell. 前記カーボンクロスは、太さの異なる複数の糸が周期的に配置されている請求項記載の高分子電解質型燃料電池。8. The polymer electrolyte fuel cell according to claim 7 , wherein a plurality of yarns having different thicknesses are periodically arranged in the carbon cloth. 前記カーボンクロスは、横糸の間隔が周期的に変わる請求項記載の高分子電解質型燃料電池。The polymer electrolyte fuel cell according to claim 7 , wherein the weft of the carbon cloth changes periodically. 前記ガス拡散層は、その前記触媒層側に導電性炭素粉末とフッ素樹脂を含む高分子含有導電層を有する請求項記載の高分子電解質型燃料電池。The polymer electrolyte fuel cell according to claim 7 , wherein the gas diffusion layer has a polymer-containing conductive layer containing a conductive carbon powder and a fluororesin on the catalyst layer side. 前記カーボンクロスは、撥水処理されている請求項記載の高分子電解質型燃料電池。The polymer electrolyte fuel cell according to claim 7 , wherein the carbon cloth is subjected to a water-repellent treatment.
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