JP4396091B2

JP4396091B2 - Gas diffusion layer for fuel cells

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Publication number: JP4396091B2
Application number: JP2002286485A
Authority: JP
Inventors: 正弘和田; 毅磯部; 博規上野; 和一浜田
Original assignee: Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 2002-09-30
Filing date: 2002-09-30
Publication date: 2010-01-13
Anticipated expiration: 2022-09-30
Also published as: JP2004127566A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電解質膜の一方および他方の面にそれぞれ配置される触媒層のうち少なくとも一方の触媒層に積層され、ガスを上記触媒層側に供給する燃料電池用ガス拡散層に関する。
【０００２】
【従来の技術】
この種の燃料電池としては、例えば図７に示すように、固体高分子の電解質膜１の両側にアノード（燃料電極層）２およびカソード（酸化剤電極層）３が積層され、これらのアノード２およびカソード３のそれぞれの外面に沿って設置されたセパレータ４、５を備えたものを単位セルとし、この単位セルを複数積層させたスタック構造の固体高分子型燃料電池（PEFC）が知られている。
【０００３】
電解質膜１は、例えば０．１ｍｍ程度の厚さのもので構成されている。
アノード２およびカソード３は、図８に示すように、触媒としてＰｔ担持カーボンブラックＡを有する多孔質のカーボンペーパ（触媒層）によって形成されている。
【０００４】
一方のセパレータ４には、燃料ガス（水素を有する）をアノード２の表面全体に供給するための溝４ａが形成されており、他方のセパレータ５には、酸化剤ガス（酸素を有する）をカソード３の表面全体に供給するための溝５ａが形成されている。燃料ガスとしては、例えばほぼ１００％の水素や、天然ガスやメタノールなどの燃料を改質して水素が豊富となったガスが用いられ、酸化剤ガスとしては、一般に空気が用いられる。
上記のように構成された固体高分子型燃料電池においては、図８に示すような化学反応により電気を作ることができる。燃料となる水素（Ｈ₂）は、アノード２側の触媒Ａの作用で水素イオン（Ｈ⁺）と電子（ｅ^-）に分かれる。すなわち、
Ｈ₂→２Ｈ⁺＋２ｅ^- …（１）
となる。
【０００５】
水素イオンは、電解質膜１中をカソード３側に移動し、触媒Ａの作用によって、外部電気回路から供給される電子とともに、カソード３に供給される酸素の還元に使われる。すなわち、
１／２Ｏ₂＋２Ｈ⁺＋２ｅ^-→Ｈ₂Ｏ …（２）
の電気化学反応が生じ、水が生成される（以下、この水を生成水という）。そして、アノード２側の電子が例えば外部の負荷を通ってカソード３側に流れることから、これを電気エネルギとして使うことができる。
上記電気化学反応は、主に電解質膜１とカソード３との境界部で発生することになる。
【０００６】
また、上記燃料電池においては、電解質膜１のイオン導電性を高めて内部抵抗を低減することから、当該電解質膜１を湿潤する必要がある。このため、アノード２側に水蒸気を供給することが行われている。
そしてさらに、カソード３側から水分が過剰に蒸発するのを防止して内部抵抗の低減を図るため、カソード３に接するように設けたガス拡散層（図示せず）を２層構造とし、カソード３側の第１層の空孔の平均孔径を第２層の空孔の平均孔径より小さく構成したものがある（例えば、特許文献１参照）。
上記ガス拡散層を用いた場合には、第１層の空孔を通ることによる流体抵抗によって、酸化剤ガス側に移動する生成水の流量を規制し、これによってカソード３側の生成水が過剰に蒸発するのを防止することができる。
【０００７】
【特許文献１】
特開２００１−３３８６５５号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上述したガス拡散層を用いた場合には、生成水の流体抵抗が第１層の空孔の径、開口率および長さの３つの要素の影響を受けるため、当該生成水の蒸発量を制御することが難しいという問題がある。
【０００９】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、触媒層に対する水やガスの移動量を容易に制御することのできる燃料電池用ガス拡散層を提供することを課題としている。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、請求項１に記載の燃料電池用ガス拡散層は、少なくとも２つの三次元網状構造を有する発泡燒結金属によって構成された多孔質層が積層されることによって構成され、電解質膜の一方および他方の面にそれぞれ配置される触媒層のうち少なくとも一方の触媒層に積層され、ガスを上記触媒層側に供給する燃料電池用ガス拡散層であって、上記多孔質層は、各々個別に発泡性スラリーをスポンジ状に発泡させることにより製造されているとともに、隣接する上記多孔質層に接する表面に複数の穴が開口する平面穴空き構造に形成され、かつ上記触媒層側に配置される一方の多孔質層は、平均孔径および厚さがそれぞれ他方の多孔質層の平均孔径および厚さより小さく形成されて互いに重ね合わせられてなり、上記一方の多孔質層と上記他方の多孔質層の境界部に、当該境界部において開口する上記孔が小径化されて当該孔の開口率が低下することにより、上記ガスおよび上記触媒層側で発生した生成水の移動抵抗を増大させる絞り面が形成されていることを特徴としている。
【００１１】
請求項２に記載の燃料電池用ガス拡散層は、請求項１に記載の発明において、上記多孔質層の間には、上記多孔質層の表面に開口する穴の径よりも大径の複数の貫通孔を有する中間シートが配置されていることを特徴としている。
【００１７】
請求項１または２に記載の発明においては、各多孔質層の双方が平面穴空き構造に構成されているために、双方の穴が一致した状態で重なることがないので、その重なり合う部分の穴が小径化されるとともに当該穴の開口率が低下する。すなわち、各多孔質層の双方が平面穴空き構造に構成されている場合には、その境界部に、より移動抵抗の大きな絞り面を構成することができる。そして、この場合の絞り面の移動抵抗は、双方の平面穴空き構造の穴の径および開口率によってほぼ決まることになる。
【００１８】
このため、カソードとしての一方の触媒層にガス拡散層を積層させた場合には、その触媒層側で発生する生成水の移動が上述した絞り面によって制限されることになるので、生成水の移動抵抗に関して、各多孔質層の厚さの影響を考慮する必要がない。したがって、水やガスの移動量を正確かつ簡単に規制することができるので、触媒層に対する水やガスの移動量を正確かつ容易に制御することができる。
【００１９】
一方、アノードとしての他方の触媒層にガス拡散層を積層させた場合には、そのガス拡散層における上述した絞り面より触媒層側に水蒸気を供給することにより、当該触媒層の表面における水蒸気の分圧を高めることができる。そして、この場合も、上記絞り面によって水蒸気の分圧を正確かつ容易に制御することができるという利点がある。すなわち、触媒層に対する水やガスの移動量を正確かつ容易に制御することができる。
【００２０】
以上の結果、電解質膜の湿潤が阻害されることによって内部抵抗が増大するのを防止することができるとともに、生成水がカソードとしての触媒層側に過剰に滞留し、例えば酸化剤ガスがカソード側へ移動するのが阻害されるのを防止することができる。よって、燃料電池の出力の向上を図ることができる。
【００２１】
請求項２に記載の発明においては、中間シート層における各貫通孔以外のシート部が例えば２つの各多孔質層の間において遮蔽壁として作用することになる。したがって、中間シート層は、一方の多孔質層と他方の多孔質層との間を流れる水やガスの移動抵抗を増大させる絞り面として作用することになる。そして、この絞り面の移動抵抗は、中間シート層における貫通孔の径および開口率と、各多孔質層の空孔の孔径とによってほぼ決まることになる。
【００２２】
このため、水やガスの移動抵抗が中間シート層によって決まることになり、当該中間シート層や各多孔質層の厚さの影響を考慮する必要がない。
【００２３】
また、平面穴空き構造に構成された多孔質層の上記表面の開口率または上記中間シート層の開口率を、２０〜７０％とすることにより、カソードとしての一方の触媒層からの生成水の蒸発量を適度な値に制御することができるとともに、アノードとしての他方の触媒層の近傍の水蒸気分圧を適度な値に制御することができる。したがって、電解質膜を内部抵抗の少ない最適な状態に湿潤させることができる。
【００２４】
なお、上記開口率を２０〜７０％に構成したのは、２０％未満では、水やガスの移動抵抗が大きくなり、例えば燃料ガスとしての水素や、酸化剤ガスとしての空気を各触媒層に供給するのが不十分になり、電池としての出力が極端に低下してしまうからであり、７０％超では、上述した絞り面としての機能が極端に低下してしまうからである。
【００２５】
また、中間シート層の厚さとしては、０．０２〜０．１ｍｍに構成することが好ましい。その理由は、０．０２ｍｍ未満では、中間シート層の強度が低下し、水やガスの圧力により変形して、所定の開口率を有する絞り面として機能しなくなるからであり、０．１ｍｍ超では、強度的に過剰となってコストアップの原因になるとともに、燃料電池の小型化を図る上で不利になるからである。
さらに、貫通孔の孔径としては、２０μｍ〜１ｍｍに構成することが好ましい。その理由は、２０μｍ未満では、水やガスの移動抵抗が大きくなり、例えば燃料ガスとしての水素や、酸化剤ガスとしての空気を各触媒層に供給するのが不十分になり、電池としての出力が極端に低下してしまうからであり、１ｍｍ超では、上述した絞り面としての機能が極端に低下してしまうからである。
【００２６】
また、触媒層側に配置される一方の多孔質層の平均孔径が小となっているので、例えば電解質膜と触媒層とガス拡散層とを層状に一体化したものを製造する場合、触媒層としてペースト状の触媒を多孔質層の表面に塗ることがあるが、この触媒を多孔質層の表面に塗りやすくなるという利点がある。
また、触媒層側に配置される一方の多孔質層の厚さが小となっていれば、絞り面から触媒層側の容積が小さくなり、所定の湿潤状態に即座に到達させることができるという利点がある。
【００２７】
また、一方の多孔質層における平均孔径が２０〜２００μｍ、厚さが２５〜２００μｍに構成され、他方の多孔質層における平均孔径が５０〜６００μｍ、厚さが５０〜１０００μｍに構成されていれば、上述した絞り面によって、触媒層に対する水やガスの移動量を適度に制御することができる。したがって、電解質膜を最適な湿潤状態に維持することができる。
【００２８】
すなわち、一方の多孔質層の平均孔径を２０〜２００μｍに構成したのは、２０μｍ未満では、水やガスの移動抵抗が大きくなり、例えば燃料ガスとしての水素や、酸化剤ガスとしての空気を各触媒層に供給するのが不十分になり、電池としての出力が極端に低下してしまうからであり、２００μｍ超では、ペースト状の触媒が塗りにくくなるからである。
また、一方の多孔質層の厚さを２５〜２００μｍに構成したのは、２５μｍ未満では、製造が困難になりコストの上昇をきたすことになるからであり、２００μｍ超では、燃料電池の小型化を図る上で不利になるからである。
一方、他方の多孔質層の平均孔径を５０〜６００μｍに構成したのは、５０μｍ未満では、水やガスの移動抵抗が大きくなり、例えば燃料ガスとしての水素や、酸化剤ガスとしての空気を各触媒層に供給するのが不十分になり、電池としての出力が極端に低下してしまうからであり、６００μｍ超では、強度的に低下してくるからである。
また、他方の多孔質層の厚さを５０〜１０００μｍに構成したのは、５０μｍ未満では、平均孔径との関係で、製造が困難になりコストの上昇をきたすことになるからであり、１０００μｍ超では、燃料電池の小型化を図る上で不利になるからである。
【００２９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。ただし、従来例で示した構成要素と共通する要素には同一の符号を付しその説明を簡略化する。
【００３０】
（第１の実施の形態）
まず、この発明の第１の実施の形態を図１〜図４を参照して説明する。この実施の形態で示すガス拡散層６は、図１〜図３に示すように、固体高分子型燃料電池における他方のセパレータ５と、電解質膜１の一方の面に積層された一方の触媒層としてのカソード（酸化剤電極層）３との間に設置されるようになっている。
【００３１】
ガス拡散層６は、第１多孔質層（一方の多孔質層）６１と第２多孔質層（他方の多孔質層）６２とによって一体に積層された構造になっている。これらの第１多孔質層６１および第２多孔質層６２はそれぞれ三次元網状構造をもつ発泡焼結金属によって構成されており、これらの双方が平滑な表面６１ａ、６２ａに複数の穴６１ｂ、６２ｂが開口する平面穴空き構造Ｂ（図３参照）によって構成されている。各表面６１ａ、６２ａの開口率は、それぞれ２０〜７０％となっている。なお、第１多孔質層６１および第２多孔質層６２の一方のみを平面穴空き構造Ｂに構成してもよい。
【００３２】
また、第１多孔質層６１は、カソード３に接すべく配置されており、その発泡空孔６１ｃの平均孔径および厚さがそれぞれ第２多孔質層６２の発泡空孔６２ｃの平均孔径および厚さより小となっている。すなわち、第１多孔質層６１は、平均孔径が２０〜２００μｍ、厚さが２５〜２００μｍに形成されており、第２多孔質層６２は、平均孔径が５０〜６００μｍ、厚さが５０〜１０００μｍに形成されている。
【００３３】
そして、第１多孔質層６１および第２多孔質層６２は、鉄基合金粉末であるステンレス鋼（本実施の形態ではＪＩＳ記号でＳＵＳ３１６Ｌを使用）粉末を原料粉末とし、この原料粉末を４０〜６０重量％、水溶性樹脂バインダーとしてのメチルセルロースを５〜１５重量％、界面活性剤としてのアルキルベンゼンスルホン酸塩を１〜３重量％、発泡剤としてのヘキサンを０．５〜３重量％、残部を水および不可避不純物とするものを混練機で混合してなる発泡性スラリーを原料として成形されたものである。上記原料粉末は、平均粒径が１０μｍのものである。
【００３４】
なお、図１においては、電解質膜１等を水平方向に向けた状態のものを示しているが、通常は電解質膜１等を垂直方向に立てた状態にして使用する場合もある。
【００３５】
上記ガス拡散層６は、図４に示すドクターブレード法を用いた成形装置によって成形されるようになっている。この成形装置は、キャリヤーシート７、ドクターブレード８、発泡スラリーを投入するホッパ９、乾燥室１０ａ、恒温・高湿度槽１０、乾燥槽１１、巻き出しリール１２、巻取リール１３、支持ロール１４、１５を備えたもので構成されている。
上記キャリヤーシート７は、ＰＥＴ製のシートによって構成されたものであり、酸素ガス中プラズマ処理を行うことにより、水との接触角を２０〜７０度に調製し、親水性の向上が図られている。
【００３６】
次に、上記成形装置を用いてガス拡散層６を製造する方法を説明する。まず、上記発泡スラリーをホッパ９に投入する。そして、この発泡スラリーをキャリヤーシート７上にドクターブレード８により薄板状に成形し、まず乾燥室１０ａを通してから、恒温・高湿度槽１０において、湿度が７５〜９５％、温度が３０〜４０℃、滞留時間が１０〜２０分の条件の下でスポンジ状に発泡させる。さらに、乾燥槽１１において、温度が５０〜７０℃、滞留時間が５０〜７０分の条件の下で乾燥させて第１多孔質層６１のスポンジ状グリーン板を製造する。
【００３７】
一方、ヘキサンの量を変えた発泡性スラリーを用いて上記と同様の製造工程により、第２多孔質層６２のスポンジ状グリーン板を製造する。
そして、上記各グリーン板を重ね合わせ、真空中において、４５０〜６５０℃、２５〜３５分の条件の下で、バインダー成分を除去する脱脂を行い、さらに真空中において、１２００〜１３００℃、５０〜７０分の条件の下で焼結することにより、例えば第１多孔質層６１の厚さが０．１ｍｍ、第２多孔質層６２の厚さが０．２ｍｍ、合計の厚さが０．３ｍｍの焼結により一体化されたガス拡散層６が完成する。この時、第１多孔質層６１および第２多孔質層６２は、平面穴空き構造Ｂとなる。
【００３８】
上記のように構成された固体高分子型燃料電池においては、第１多孔質層６１と第２多孔質層６２とを重ね合わせた場合、双方の表面６１ａ、６２ａの各穴６２ｂ、６２ｂが互いに完全に一致することがないので、その重なり合う部分の穴６１ｂ、６２ｂが小径化されるとともに当該穴６１ｂ、６２ｂの開口率が低下することになる。すなわち、第１多孔質層６１と第２多孔質層６２との境界部において、カソード３側で発生した生成水や、空気（酸化剤ガス）の移動抵抗の大きな絞り面が構成されることになる。そして、この場合の絞り面の移動抵抗は、双方の平面穴空き構造Ｂの穴６１ｂ、６２ｂの径および開口率によって定まることになる。
【００３９】
このため、生成水の流体抵抗に関し、第１多孔質層６１および第２多孔質層６２の厚さの影響を考慮する必要がないので、生成水の移動量をより簡単に制御することが可能になる。すなわち、カソード３側からの生成水の蒸発量を容易に制御することができる。
したがって、電解質膜１の湿潤が阻害されることによって内部抵抗が増大するのを防止することができるとともに、生成水がカソード３側に過剰に滞留することによって空気がカソード３側へ移動するのが阻害されるのを防止することができる。よって、固体高分子型燃料電池の出力の向上を図ることができる。
【００４０】
しかも、表面６１ａ、６２ａの開口率が２０〜７０％となっているので、カソード３からの生成水の蒸発量を適度な値に制御することができる。したがって、電解質膜を内部抵抗の少ない最適な状態に湿潤させることができる。
【００４１】
また、第１多孔質層６１の平均孔径および厚さがそれぞれ第２多孔質層６２の平均孔径および厚さより小となっているので、絞り面からカソード３側の容積が小さくなり、所定の湿潤状態に即座に到達させることができるという利点がある。
【００４２】
さらに、カソード３側に配置される第１多孔質層６１の平均孔径が小となっているので、例えば電解質膜１とカソード３とガス拡散層６とを層状に一体化したものを製造する場合、カソード３としてペースト状の触媒を第１多孔質層６１の表面に塗ることがあるが、この触媒を第１多孔質層６１の表面に塗りやすくなるという利点がある。なお、後述するアノード２にガス拡散層６を積層する場合も同様のことがいえる。このため、電解質膜１の両側にカソード３およびアノード２を一体的に積層し、さらにその外側にガス拡散層６、６を一体的に積層したものを容易に製造することも可能になる。
【００４３】
そして、第１多孔質層６１における平均孔径が２０〜２００μｍ、厚さが２５〜２００μｍに構成され、第２多孔質層６２における平均孔径が５０〜６００μｍ、厚さが５０〜１０００μｍに構成されているので、カソード３側で発生した生成水の多少に応じて、上記平均孔径および厚さを上記の範囲で選定することにより、適量の水分を酸化剤ガス側に蒸発させることができる。したがって、種々の大きさの電解質膜１についても最適な湿潤状態に維持することができる。
【００４４】
なお、第１多孔質層６１および第２多孔質層６２のうち一方、例えば第２多孔質層６２を平面穴空き構造Ｂで構成した場合には、平面穴空き構造Ｂにおける穴６２ｂ以外の平面の部分が第１多孔質層６１と第２多孔質層６２との間の流路の遮蔽壁として作用することになる。したがって、第１多孔質層６１と第２多孔質層６２との境界部に生成水や空気の移動抵抗を増大させる絞り面が構成されることになる。そして、絞り面の移動抵抗は、第２多孔質層６２の穴６２ｂの径および開口率と、第１多孔質層６１の発泡空孔６１ｃの孔径とによってほぼ決まることになる。
【００４５】
このため、第１多孔質層６１および第２多孔質層６２のうち一方を平面穴空き構造Ｂで構成した場合も、生成水の流体抵抗に関し、第１多孔質層６１および第２多孔質層６２の厚さの影響を考慮する必要がないので、生成水の移動量をより簡単に制御することが可能になる。すなわち、カソード側からの生成水の蒸発量を容易に制御することができる。
【００４６】
なお、上記実施の形態においては、溝５ａを有するセパレータ５を用いて説明したが、このセパレータ５は溝のないものであってもよい。すなわち、ガス拡散層６の端面からセパレータ５に沿って、空気を供給するようにしてもよい。この場合、空気は、絞り面よりセパレータ５側に供給することになる。
さらに、スタック構造型ではない平面構造型の燃料電池のように、セパレータのないものであってもよい。
【００４７】
また、ガス拡散層６は、電解質膜１の他方の面に積層した他方の触媒層としてのアノード２の表面に積層させてもよい。この場合には、ガス拡散層６における絞り面よりアノード２側に水蒸気を供給することにより、当該アノード２の表面における水蒸気の分圧を高めることができる。そして、この場合も、絞り面によって水蒸気の分圧を正確かつ容易に制御することができるという利点がある。すなわち、アノード２に対する水や水素ガスの移動量を正確かつ容易に制御することができる。しかも、各表面６１ａ、６２ａの開口率がそれぞれ２０〜７０％となっているので、アノード２の近傍の水蒸気分圧を適度な値に制御することができる。
【００４８】
さらに、第１および第２多孔質層６１、６２は、それぞれを焼結させた後に、拡散接合してもよい。
また、第１および第２多孔質層６１、６２の厚さは、グリーンの状態あるいは焼結後の状態で、圧延による厚さを調製することが好ましい。
【００４９】
（第２の実施の形態）
次に、この発明の第２の実施の形態を図５および図６を参照して説明する。ただし、第１の実施の形態と共通する要素には同一の符号を付し、その説明を簡略化する。
この第２の実施の形態が第１の実施の形態と異なる点は、第１多孔質層６１と第２多孔質層６２との間に中間シート層６３を一体に積層させている点である。
【００５０】
すなわち、中間シート層６３は、上記第１多孔質層６１および上記第２多孔質層６２の表面に開口する各穴６１ｂ、６２ｂの径より大径の複数の貫通孔６３ａを有している。そして、中間シート層６３の厚さは０．０２〜０．１ｍｍに形成され、貫通孔６３ａの孔径は２０μｍ〜１ｍｍに形成されている。また、中間シート層６３は、貫通孔６３ａによって開口率が２０〜７０％となっている。
【００５１】
また、中間シート層６３は、鉄基合金粉末であるステンレス鋼（本実施の形態ではＪＩＳ記号でＳＵＳ３１６Ｌを使用）粉末を原料粉末とし、この原料粉末を４０〜６０重量％、水溶性樹脂バインダーとしてのメチルセルロースを５〜１５重量％、残部を水および不可避不純物とするものを混練機で混合してなる無発泡性スラリーを原料として焼結により成形されたものである。上記原料粉末は、平均粒径が１０μｍのものである。
【００５２】
また、中間シート層６３は、図６に示すドクターブレード法を用いた成形装置によって成形される。この成形装置は、キャリヤーシート７、ドクターブレード８、中間シート層６３の原料である無発泡性スラリーを投入するホッパ９、乾燥室１０ａ、巻き出しリール１２、巻取リール１３、支持ロール１４、１５、パンチングロール１７を備えたもので構成されている。
【００５３】
次に、上記成形装置を用いてガス拡散層６を製造する方法を説明する。まず、ホッパ９に投入した無泡性スラリーを当該ホッパ９の下端開口部からキャリヤーシート７上に供給する。この際、ドクターブレード８によって、無泡性スラリーを薄板状に成形しながら、キャリヤーシート７に供給する。このようにして薄板状に形成された無泡性スラリーを、乾燥室１０ａ内を通過させることにより、例えば温度５０〜７０℃、滞留時間１０分の条件下で乾燥させる。これにより、中間シート層６３の緻密グリーン板を製造する。
【００５４】
そして、上記緻密グリーン板に、パンチングロール１７によって貫通孔を千鳥状に形成する。パンチングロール１７は、円筒ロール面から上記貫通孔を形成するための複数の針１７ａが突出したもので構成されている。
【００５５】
次に、上述した第１多孔質層６１のスポンジ状グリーン板と、第２多孔質層６２のスポンジ状グリーン板との間に中間シート層６３の緻密グリーン板を積層させて、真空中において、４５０〜６５０℃、２５〜３５分の条件の下で、バインダー成分を除去する脱脂を行い、さらに真空中において、１２００〜１３００℃、５０〜７０分の条件の下で焼結することにより、例えば第１多孔質層６１の厚さが０．１ｍｍ、第２多孔質層６２の厚さが０．２ｍｍ、中間シート層６３の厚さが０．０５ｍｍ、合計の厚さが０．３５ｍｍの焼結により一体化されたガス拡散層６が完成する。
【００５６】
上記のように構成された固体高分子型燃料電池においては、中間シート層６３における各貫通孔６３ａ以外のシート部が第１多孔質層６１と第２多孔質層６２との間の流路の遮蔽壁として作用することになる。したがって、中間シート層６３が第１多孔質層６１と第２多孔質層６２との間の生成水や空気の移動抵抗を増大させる絞り面として作用することになる。そして、この絞り面の移動抵抗は、中間シート層６３における貫通孔６３ａの径および開口率と、第１多孔質層６１および第２多孔質層６２の穴６１ｂ、６２ｂの径とによってほぼ決まることになる。
したがって、第１の実施の形態と同様の作用効果を奏する。
【００５８】
また、第１または第２の実施の形態で示したガス拡散層６は、例えばダイレクトメタノール型の燃料電池の触媒層の表面に積層させるようにしてもよい。
そしてさらに、第１の実施の形態においては、ガス拡散層６を２つの多孔質層によって構成したが、このガス拡散層６は、３つ以上の複数の多孔質層によって層状に構成してもよい。また、第２の実施の形態で示したガス拡散層６についても、３つ以上の複数の多孔質層を設け、これらの多孔質層の各間あるいは所定の多孔質層の間に中間シート層を配置するように構成してもよい。
【００５９】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１または２に記載の発明によれば、一方の多孔質層と他方の多孔質層との境界部に水やガスの移動抵抗を増大させる絞り面を構成することができる。そして、この絞り面による移動抵抗は、平面穴空き構造の穴の径、開口率、多孔質層の空孔の孔径等の境界部の要素によってほぼ決まることになる。
【００６０】
このため、カソードとしての一方の触媒層にガス拡散層を積層させた場合には、その触媒層側で発生する生成水の移動が上述した絞り面によって制限されることになるので、生成水の移動抵抗に関して、各多孔質層の厚さの影響を考慮する必要がない。したがって、水やガスの移動量を正確かつ簡単に規制することができるので、触媒層に対する水やガスの移動量を正確かつ容易に制御することができる。
【００６１】
一方、アノードとしての他方の触媒層にガス拡散層を積層させた場合には、そのガス拡散層における上述した絞り面より触媒層側に水蒸気を供給することにより、当該触媒層の表面における水蒸気の分圧を高めることができる。そして、この場合も、上記絞り面によって水蒸気の分圧を正確かつ容易に制御することができるという利点がある。すなわち、触媒層に対する水やガスの移動量を正確かつ容易に制御することができる。
【００６２】
以上の結果、電解質膜の湿潤が阻害されることによって内部抵抗が増大するのを防止することができるとともに、生成水がカソードとしての触媒層側に過剰に滞留し、例えば酸化剤ガスがカソード側へ移動するのが阻害されるのを防止することができる。よって、燃料電池の出力の向上を図ることができる。
【００６３】
請求項２に記載の発明によれば、中間シート層における各貫通孔以外のシート部が各多孔質層の間において遮蔽壁として作用することになる。したがって、中間シート層は、一方の多孔質層と他方の多孔質層との間を流れる水やガスの移動抵抗を増大させる絞り面として作用することになる。そして、この絞り面の移動抵抗は、中間シート層における貫通孔の径および開口率と、各多孔質層の空孔の孔径とによってほぼ決まることになる。
【００６４】
このため、水やガスの移動抵抗が中間シート層によって決まることになり、当該中間シート層や各多孔質層の厚さの影響を考慮する必要がない。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の第１の実施の形態としてのガス拡散層を備えた固体高分子型燃料電池の単位セルを示す断面図である。
【図２】同ガス拡散層の要部断面図である。
【図３】同ガス拡散層の第１多孔質層等を構成する平面穴空き構造を示す要部斜視図である。
【図４】同ガス拡散層の成形装置を示す説明図である。
【図５】この発明の第２の実施の形態として示したガス拡散層の要部断面図である。
【図６】同ガス拡散層の成形装置を示す説明図である。
【図７】従来の固体高分子型燃料電池の単位セルを示す断面図である。
【図８】同固体高分子型燃料電池の原理を示す説明図である。
【符号の説明】
１電解質膜
２アノード（触媒層）
３カソード（触媒層）
６ガス拡散層
６１第１多孔質層（一方の多孔質層）
６１ａ、６２ａ表面
６１ｂ、６２ｂ穴
６２第２多孔質層（他方の多孔質層）
６３中間シート層
６３ａ貫通孔
Ｂ平面穴空き構造[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a gas diffusion layer for a fuel cell that is laminated on at least one of the catalyst layers disposed on one and the other surfaces of an electrolyte membrane and supplies gas to the catalyst layer side.
[0002]
[Prior art]
In this type of fuel cell, for example, as shown in FIG. 7, an anode (fuel electrode layer) 2 and a cathode (oxidant electrode layer) 3 are laminated on both sides of a solid polymer electrolyte membrane 1. A polymer electrolyte fuel cell (PEFC) having a stack structure in which a unit cell is provided with separators 4 and 5 installed along the outer surfaces of the cathode 3 and the cathode 3 is stacked. Yes.
[0003]
The electrolyte membrane 1 is made of, for example, a thickness of about 0.1 mm.
As shown in FIG. 8, the anode 2 and the cathode 3 are formed of porous carbon paper (catalyst layer) having Pt-supported carbon black A as a catalyst.
[0004]
One separator 4 is formed with a groove 4a for supplying fuel gas (having hydrogen) to the entire surface of the anode 2, and the other separator 5 is made of oxidant gas (having oxygen) as a cathode. A groove 5a for supplying the entire surface of 3 is formed. As the fuel gas, for example, almost 100% hydrogen or a gas rich in hydrogen by reforming a fuel such as natural gas or methanol is used, and air is generally used as the oxidant gas.
In the polymer electrolyte fuel cell configured as described above, electricity can be produced by a chemical reaction as shown in FIG. Hydrogen as fuel (H ₂ ) Is a hydrogen ion (H) due to the action of catalyst A on the anode 2 side. ⁺ ) And electrons (e ^- ). That is,
H ₂ → 2H ⁺ + 2e ^- ... (1)
It becomes.
[0005]
Hydrogen ions move to the cathode 3 side in the electrolyte membrane 1 and are used for reduction of oxygen supplied to the cathode 3 together with electrons supplied from the external electric circuit by the action of the catalyst A. That is,
1 / 2O ₂ + 2H ⁺ + 2e ^- → H ₂ O ... (2)
Then, water is produced (hereinafter, this water is referred to as produced water). Then, since electrons on the anode 2 side flow to the cathode 3 side through an external load, for example, this can be used as electric energy.
The electrochemical reaction occurs mainly at the boundary between the electrolyte membrane 1 and the cathode 3.
[0006]
Further, in the fuel cell, since the ionic conductivity of the electrolyte membrane 1 is increased to reduce the internal resistance, it is necessary to wet the electrolyte membrane 1. For this reason, water vapor is supplied to the anode 2 side.
Further, in order to prevent excessive evaporation of moisture from the cathode 3 side and reduce internal resistance, a gas diffusion layer (not shown) provided in contact with the cathode 3 has a two-layer structure. There is one in which the average hole diameter of the first layer vacancy is smaller than the average hole diameter of the second layer vacancy (see, for example, Patent Document 1).
When the gas diffusion layer is used, the flow rate of the generated water that moves to the oxidant gas side is regulated by the fluid resistance caused by passing through the holes in the first layer, so that the generated water on the cathode 3 side is excessive It is possible to prevent evaporation.
[0007]
[Patent Document 1]
JP 2001-338655 A
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
However, when the gas diffusion layer described above is used, the flow resistance of the generated water is affected by three factors including the diameter, opening ratio, and length of the holes in the first layer. There is a problem that it is difficult to control.
[0009]
This invention is made | formed in view of the said situation, and makes it the subject to provide the gas diffusion layer for fuel cells which can control the moving amount of the water and gas with respect to a catalyst layer easily.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above-described problem, the gas diffusion layer for a fuel cell according to claim 1 comprises: It is constituted by laminating a porous layer made of a foam sintered metal having at least two three-dimensional network structures, A gas diffusion layer for a fuel cell, which is laminated on at least one of the catalyst layers arranged on one and other surfaces of the electrolyte membrane and supplies gas to the catalyst layer side, wherein the porous layer is Each of these is manufactured by foaming a foamable slurry individually in the form of a sponge, and formed into a planar perforated structure in which a plurality of holes are opened on the surface in contact with the adjacent porous layer. And the one porous layer disposed on the catalyst layer side is formed such that the average pore diameter and thickness are smaller than the average pore diameter and thickness of the other porous layer, respectively, and are overlapped with each other. In the boundary between the porous layer and the other porous layer, the diameter of the hole opening in the boundary is reduced and the opening ratio of the hole is reduced, so that the gas and the generated water generated on the catalyst layer side are reduced. A diaphragm surface is formed to increase the movement resistance of It is characterized by being.
[0011]
The gas diffusion layer for a fuel cell according to claim 2, In the invention according to claim 1, an intermediate sheet having a plurality of through holes having a diameter larger than the diameter of the hole opened on the surface of the porous layer is disposed between the porous layers. It is characterized by that.
[0017]
In the invention according to claim 1 or 2, Both porous layers are structured in a flat perforated structure for Since both the holes do not overlap with each other, the overlapping hole is reduced in diameter and the aperture ratio of the hole is reduced. That is, when both of the porous layers are configured to have a planar perforated structure, it is possible to configure a diaphragm surface having a larger movement resistance at the boundary portion. In this case, the movement resistance of the diaphragm surface is substantially determined by the hole diameter and the aperture ratio of both planar perforated structures.
[0018]
For this reason, when the gas diffusion layer is laminated on one catalyst layer as the cathode, the movement of the generated water generated on the catalyst layer side is limited by the above-described throttle surface. It is not necessary to consider the influence of the thickness of each porous layer on the movement resistance. Therefore, the amount of movement of water or gas can be regulated accurately and easily, and the amount of movement of water or gas relative to the catalyst layer can be controlled accurately and easily.
[0019]
On the other hand, when the gas diffusion layer is laminated on the other catalyst layer as the anode, by supplying water vapor to the catalyst layer side from the above-mentioned throttle surface in the gas diffusion layer, water vapor on the surface of the catalyst layer is reduced. The partial pressure can be increased. Also in this case, there is an advantage that the partial pressure of water vapor can be accurately and easily controlled by the throttle surface. That is, it is possible to accurately and easily control the movement amount of water or gas with respect to the catalyst layer.
[0020]
As a result, it is possible to prevent the internal resistance from increasing due to the inhibition of the wetting of the electrolyte membrane, and the generated water stays excessively on the catalyst layer side as the cathode. It is possible to prevent the movement to the hindrance. Therefore, the output of the fuel cell can be improved.
[0021]
Claim 2 In the described invention, a sheet portion other than each through hole in the intermediate sheet layer acts as a shielding wall between two porous layers, for example. Therefore, the intermediate sheet layer acts as a throttle surface that increases the movement resistance of water and gas flowing between one porous layer and the other porous layer. The movement resistance of the diaphragm surface is almost determined by the diameter and opening ratio of the through holes in the intermediate sheet layer and the hole diameters of the pores of each porous layer.
[0022]
For this reason, the movement resistance of water and gas is determined by the intermediate sheet layer, and it is not necessary to consider the influence of the thickness of the intermediate sheet layer and each porous layer.
[0023]
Also, The aperture ratio of the surface of the porous layer configured in a flat perforated structure or the aperture ratio of the intermediate sheet layer The 20-70% By doing The amount of water produced from one catalyst layer as the cathode can be controlled to an appropriate value, and the water vapor partial pressure in the vicinity of the other catalyst layer as the anode can be controlled to an appropriate value. Therefore, the electrolyte membrane can be wetted in an optimal state with little internal resistance.
[0024]
In addition, when the aperture ratio is 20 to 70%, the movement resistance of water or gas increases when the opening ratio is less than 20%. For example, hydrogen as fuel gas or air as oxidant gas is applied to each catalyst layer. This is because the supply as the battery becomes insufficient and the output as a battery is extremely reduced, and when it exceeds 70%, the function as the diaphragm surface described above is extremely reduced.
[0025]
The thickness of the intermediate sheet layer is preferably 0.02 to 0.1 mm. The reason is that if the thickness is less than 0.02 mm, the strength of the intermediate sheet layer is lowered and deforms due to the pressure of water or gas, so that it does not function as a diaphragm surface having a predetermined aperture ratio. This is because it is excessive in strength and causes an increase in cost, and is disadvantageous in reducing the size of the fuel cell.
Furthermore, the hole diameter of the through hole is preferably 20 μm to 1 mm. The reason for this is that if it is less than 20 μm, the movement resistance of water and gas increases, and for example, it becomes insufficient to supply hydrogen as fuel gas or air as oxidant gas to each catalyst layer, and output as a battery This is because the function as the diaphragm surface described above is extremely reduced when the thickness exceeds 1 mm.
[0026]
In addition, the average pore diameter of one porous layer arranged on the catalyst layer side is small. Because For example, when manufacturing an electrolyte membrane, a catalyst layer, and a gas diffusion layer integrated in a layered form, a paste-like catalyst may be applied to the surface of the porous layer as the catalyst layer. There is an advantage that it can be easily applied to the surface of the film.
Further, if the thickness of one porous layer disposed on the catalyst layer side is small, the volume on the catalyst layer side from the throttle surface is reduced, and a predetermined wet state can be immediately reached. There are advantages.
[0027]
Also, One porous layer has an average pore diameter of 20 to 200 μm and a thickness of 25 to 200 μm, and the other porous layer has an average pore diameter of 50 to 600 μm and a thickness of 50 to 1000 μm. If The amount of movement of water and gas with respect to the catalyst layer can be appropriately controlled by the above-described throttle surface. Therefore, the electrolyte membrane can be maintained in an optimal wet state.
[0028]
That is, when the average pore diameter of one porous layer is 20 to 200 μm, if it is less than 20 μm, the movement resistance of water or gas increases, and for example, hydrogen as a fuel gas or air as an oxidant gas This is because the supply to the catalyst layer becomes insufficient and the output as the battery is extremely reduced, and when it exceeds 200 μm, it becomes difficult to apply the paste-like catalyst.
The reason why the thickness of one of the porous layers is 25 to 200 μm is that if it is less than 25 μm, the manufacturing becomes difficult and the cost increases, and if it exceeds 200 μm, the fuel cell is downsized. This is because it is disadvantageous for the purpose.
On the other hand, the average pore size of the other porous layer is configured to be 50 to 600 μm. When the average pore size is less than 50 μm, the movement resistance of water and gas increases. For example, hydrogen as a fuel gas and air as an oxidant gas are used. This is because the supply to the catalyst layer becomes insufficient and the output as a battery is extremely reduced, and when it exceeds 600 μm, the strength is lowered.
The thickness of the other porous layer is configured to be 50 to 1000 μm because if it is less than 50 μm, it becomes difficult to manufacture due to the relationship with the average pore diameter, and the cost increases. This is because it is disadvantageous in reducing the size of the fuel cell.
[0029]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. However, elements common to the constituent elements shown in the conventional example are denoted by the same reference numerals, and the description thereof is simplified.
[0030]
(First embodiment)
First, a first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. As shown in FIGS. 1 to 3, the gas diffusion layer 6 shown in this embodiment includes the other separator 5 in the polymer electrolyte fuel cell and one catalyst layer laminated on one surface of the electrolyte membrane 1. And a cathode (oxidant electrode layer) 3 as described above.
[0031]
The gas diffusion layer 6 has a structure in which a first porous layer (one porous layer) 61 and a second porous layer (the other porous layer) 62 are integrally laminated. Each of the first porous layer 61 and the second porous layer 62 is made of a foam sintered metal having a three-dimensional network structure, and both of them are provided with a plurality of holes 61b, 62b on smooth surfaces 61a, 62a. Is formed by a planar perforated structure B (see FIG. 3). The aperture ratios of the surfaces 61a and 62a are 20 to 70%, respectively. Note that only one of the first porous layer 61 and the second porous layer 62 may be configured in the planar perforated structure B.
[0032]
The first porous layer 61 is disposed so as to contact the cathode 3, and the average pore diameter and thickness of the foamed pores 61 c are the average pore size and thickness of the foamed pores 62 c of the second porous layer 62, respectively. Smaller than that. That is, the first porous layer 61 has an average pore diameter of 20 to 200 μm and a thickness of 25 to 200 μm, and the second porous layer 62 has an average pore diameter of 50 to 600 μm and a thickness of 50 to 1000 μm. Is formed.
[0033]
The first porous layer 61 and the second porous layer 62 are made of stainless steel (in this embodiment, SUS316L is used as a JIS symbol) powder, which is an iron-based alloy powder, and this raw material powder is 40 to 40. 60% by weight, 5 to 15% by weight of methylcellulose as a water-soluble resin binder, 1 to 3% by weight of alkylbenzene sulfonate as a surfactant, 0.5 to 3% by weight of hexane as a foaming agent, and the balance It is molded from a foamable slurry obtained by mixing water and inevitable impurities in a kneader. The raw material powder has an average particle size of 10 μm.
[0034]
Although FIG. 1 shows a state in which the electrolyte membrane 1 and the like are oriented in the horizontal direction, there are cases where the electrolyte membrane 1 and the like are usually used in a state in which they stand in the vertical direction.
[0035]
The gas diffusion layer 6 is formed by a forming apparatus using a doctor blade method shown in FIG. The molding apparatus includes a carrier sheet 7, a doctor blade 8, a hopper 9 for charging foamed slurry, a drying chamber 10 a, a constant temperature / high humidity tank 10, a drying tank 11, an unwinding reel 12, a take-up reel 13, a support roll 14, 15 is provided.
The carrier sheet 7 is composed of a sheet made of PET. By performing plasma treatment in oxygen gas, the contact angle with water is adjusted to 20 to 70 degrees, and hydrophilicity is improved. Yes.
[0036]
Next, a method for manufacturing the gas diffusion layer 6 using the molding apparatus will be described. First, the foamed slurry is put into the hopper 9. And this foaming slurry is shape | molded by the doctor blade 8 on the carrier sheet 7 in the shape of a thin plate, and after passing through the drying chamber 10a, humidity is 75 to 95%, temperature is 30 to 40 ° C., It foams in the form of a sponge under the condition that the residence time is 10 to 20 minutes. Furthermore, in the drying tank 11, the sponge-like green plate of the first porous layer 61 is manufactured by drying under conditions of a temperature of 50 to 70 ° C. and a residence time of 50 to 70 minutes.
[0037]
On the other hand, a sponge-like green plate of the second porous layer 62 is manufactured by the same manufacturing process as described above using an effervescent slurry in which the amount of hexane is changed.
And each said green board is piled up, and degreasing which removes a binder component on the conditions of 450-650 degreeC and 25-35 minutes is performed in a vacuum, Furthermore, 1200-1300 degreeC, 50- By sintering under the condition of 70 minutes, for example, the thickness of the first porous layer 61 is 0.1 mm, the thickness of the second porous layer 62 is 0.2 mm, and the total thickness is 0.3 mm. The gas diffusion layer 6 integrated by sintering is completed. At this time, the first porous layer 61 and the second porous layer 62 have a planar perforated structure B.
[0038]
In the polymer electrolyte fuel cell configured as described above, when the first porous layer 61 and the second porous layer 62 are overlapped, the holes 62b and 62b of both surfaces 61a and 62a are mutually connected. Since they do not coincide completely, the diameters of the overlapping holes 61b and 62b are reduced, and the aperture ratio of the holes 61b and 62b is reduced. That is, at the boundary portion between the first porous layer 61 and the second porous layer 62, a throttle surface having a large movement resistance of the generated water and air (oxidant gas) generated on the cathode 3 side is configured. Become. In this case, the movement resistance of the diaphragm surface is determined by the diameters and the aperture ratios of the holes 61b and 62b of both planar perforated structures B.
[0039]
For this reason, since it is not necessary to consider the influence of the thickness of the 1st porous layer 61 and the 2nd porous layer 62 regarding the fluid resistance of generated water, it is possible to control the movement amount of the generated water more easily. become. That is, the evaporation amount of generated water from the cathode 3 side can be easily controlled.
Therefore, it is possible to prevent the internal resistance from increasing due to the inhibition of the wetting of the electrolyte membrane 1 and to cause the air to move to the cathode 3 side due to excessive retention of the generated water on the cathode 3 side. Inhibition can be prevented. Therefore, the output of the polymer electrolyte fuel cell can be improved.
[0040]
Moreover, since the aperture ratios of the surfaces 61a and 62a are 20 to 70%, the evaporation amount of the generated water from the cathode 3 can be controlled to an appropriate value. Therefore, the electrolyte membrane can be wetted in an optimal state with little internal resistance.
[0041]
Further, since the average pore diameter and thickness of the first porous layer 61 are smaller than the average pore diameter and thickness of the second porous layer 62, respectively, the volume on the cathode 3 side from the throttle surface is reduced, and a predetermined wetness is obtained. There is an advantage that the state can be reached immediately.
[0042]
Further, since the average pore diameter of the first porous layer 61 disposed on the cathode 3 side is small, for example, when the electrolyte membrane 1, the cathode 3, and the gas diffusion layer 6 are integrated in a layered manner In some cases, a paste-like catalyst may be applied to the surface of the first porous layer 61 as the cathode 3, and this catalyst has an advantage that it can be easily applied to the surface of the first porous layer 61. The same applies to the case where a gas diffusion layer 6 is laminated on the anode 2 described later. For this reason, it is possible to easily manufacture a structure in which the cathode 3 and the anode 2 are integrally laminated on both sides of the electrolyte membrane 1 and the gas diffusion layers 6 and 6 are integrally laminated on the outside thereof.
[0043]
The first porous layer 61 has an average pore diameter of 20 to 200 μm and a thickness of 25 to 200 μm, and the second porous layer 62 has an average pore diameter of 50 to 600 μm and a thickness of 50 to 1000 μm. Therefore, an appropriate amount of water can be evaporated to the oxidant gas side by selecting the average pore diameter and thickness within the above range according to the amount of generated water generated on the cathode 3 side. Therefore, the electrolyte membrane 1 having various sizes can be maintained in an optimal wet state.
[0044]
When one of the first porous layer 61 and the second porous layer 62, for example, the second porous layer 62 is configured by the planar perforated structure B, a plane other than the holes 62b in the planar perforated structure B is used. This part acts as a shielding wall for the flow path between the first porous layer 61 and the second porous layer 62. Accordingly, a throttle surface that increases the movement resistance of the generated water or air is formed at the boundary between the first porous layer 61 and the second porous layer 62. The movement resistance of the diaphragm surface is substantially determined by the diameter and opening ratio of the hole 62 b of the second porous layer 62 and the hole diameter of the foaming hole 61 c of the first porous layer 61.
[0045]
For this reason, even when one of the first porous layer 61 and the second porous layer 62 is configured with the planar perforated structure B, the first porous layer 61 and the second porous layer are related to the fluid resistance of the generated water. Since it is not necessary to consider the influence of the thickness of 62, the amount of generated water can be controlled more easily. That is, the evaporation amount of generated water from the cathode side can be easily controlled.
[0046]
In the above embodiment, the separator 5 having the groove 5a has been described. However, the separator 5 may have no groove. That is, air may be supplied from the end surface of the gas diffusion layer 6 along the separator 5. In this case, air is supplied to the separator 5 side from the throttle surface.
Furthermore, a separator without a separator may be used like a planar structure type fuel cell which is not a stack structure type.
[0047]
Further, the gas diffusion layer 6 may be laminated on the surface of the anode 2 as the other catalyst layer laminated on the other surface of the electrolyte membrane 1. In this case, the partial pressure of water vapor on the surface of the anode 2 can be increased by supplying water vapor to the anode 2 side from the throttle surface in the gas diffusion layer 6. Also in this case, there is an advantage that the partial pressure of water vapor can be accurately and easily controlled by the throttle surface. That is, the amount of water or hydrogen gas transferred to the anode 2 can be accurately and easily controlled. Moreover, since the opening ratios of the surfaces 61a and 62a are 20 to 70%, respectively, the water vapor partial pressure in the vicinity of the anode 2 can be controlled to an appropriate value.
[0048]
Further, the first and second porous layers 61 and 62 may be diffusion bonded after being sintered.
Moreover, it is preferable to adjust the thickness of the first and second porous layers 61 and 62 by rolling in a green state or a state after sintering.
[0049]
(Second Embodiment)
Next, a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. However, elements that are the same as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and description thereof is simplified.
The second embodiment is different from the first embodiment in that an intermediate sheet layer 63 is integrally laminated between the first porous layer 61 and the second porous layer 62. .
[0050]
That is, the intermediate sheet layer 63 has a plurality of through holes 63a having a diameter larger than the diameters of the holes 61b and 62b opened on the surfaces of the first porous layer 61 and the second porous layer 62. And the thickness of the intermediate | middle sheet layer 63 is formed in 0.02-0.1 mm, and the hole diameter of the through-hole 63a is formed in 20 micrometers-1 mm. Further, the intermediate sheet layer 63 has an opening ratio of 20 to 70% due to the through holes 63a.
[0051]
The intermediate sheet layer 63 is made of stainless steel (in this embodiment, SUS316L is used as a JIS symbol) powder, which is an iron-based alloy powder, and the raw material powder is 40 to 60% by weight as a water-soluble resin binder. A non-foamable slurry obtained by mixing 5 to 15% by weight of methyl cellulose with water and inevitable impurities remaining in a kneading machine as a raw material is formed by sintering. The raw material powder has an average particle size of 10 μm.
[0052]
Further, the intermediate sheet layer 63 is formed by a forming apparatus using a doctor blade method shown in FIG. This forming apparatus includes a carrier sheet 7, a doctor blade 8, a hopper 9 into which a non-foaming slurry as a raw material of the intermediate sheet layer 63 is charged, a drying chamber 10 a, an unwinding reel 12, a take-up reel 13, support rolls 14, 15. The punching roll 17 is provided.
[0053]
Next, a method for manufacturing the gas diffusion layer 6 using the molding apparatus will be described. First, the non-foamed slurry charged into the hopper 9 is supplied onto the carrier sheet 7 from the lower end opening of the hopper 9. At this time, the non-foamed slurry is supplied to the carrier sheet 7 while being formed into a thin plate shape by the doctor blade 8. The non-foamed slurry thus formed into a thin plate shape is dried under conditions of, for example, a temperature of 50 to 70 ° C. and a residence time of 10 minutes by passing through the drying chamber 10a. Thereby, a dense green plate of the intermediate sheet layer 63 is manufactured.
[0054]
Then, through holes are formed in a staggered pattern by the punching roll 17 in the dense green plate. The punching roll 17 is configured by a plurality of needles 17a protruding from the cylindrical roll surface to form the through holes.
[0055]
Next, a dense green plate of the intermediate sheet layer 63 is laminated between the above-described sponge-like green plate of the first porous layer 61 and the sponge-like green plate of the second porous layer 62, and in a vacuum, By performing degreasing to remove the binder component under conditions of 450 to 650 ° C. and 25 to 35 minutes, and further sintering in vacuum under conditions of 1200 to 1300 ° C. and 50 to 70 minutes, for example, The first porous layer 61 has a thickness of 0.1 mm, the second porous layer 62 has a thickness of 0.2 mm, the intermediate sheet layer 63 has a thickness of 0.05 mm, and the total thickness is 0.35 mm. The gas diffusion layer 6 integrated by the completion is completed.
[0056]
In the polymer electrolyte fuel cell configured as described above, the sheet portion other than each through hole 63a in the intermediate sheet layer 63 is a flow path between the first porous layer 61 and the second porous layer 62. It will act as a shielding wall. Therefore, the intermediate sheet layer 63 acts as a throttle surface that increases the movement resistance of the generated water and air between the first porous layer 61 and the second porous layer 62. The movement resistance of the diaphragm surface is substantially determined by the diameter and opening ratio of the through hole 63a in the intermediate sheet layer 63 and the diameters of the holes 61b and 62b of the first porous layer 61 and the second porous layer 62. become.
Therefore, the same operational effects as those of the first embodiment are obtained.
[0058]
The gas diffusion layer 6 shown in the first or second embodiment may be laminated on the surface of the catalyst layer of a direct methanol fuel cell, for example.
Furthermore, in the first embodiment, the gas diffusion layer 6 is constituted by two porous layers. However, the gas diffusion layer 6 may be constituted by three or more porous layers. Good. The gas diffusion layer 6 shown in the second embodiment is also provided with three or more porous layers, and an intermediate sheet layer between each of these porous layers or between predetermined porous layers. May be arranged.
[0059]
【The invention's effect】
As explained above, claim 1 Or 2 According to the invention described in (2), a throttle surface that increases the movement resistance of water or gas can be formed at the boundary between one porous layer and the other porous layer. The movement resistance due to the throttle surface is substantially determined by factors at the boundary, such as the hole diameter, opening ratio, and hole diameter of the porous layer.
[0060]
For this reason, when the gas diffusion layer is laminated on one catalyst layer as the cathode, the movement of the generated water generated on the catalyst layer side is limited by the above-described throttle surface. It is not necessary to consider the influence of the thickness of each porous layer on the movement resistance. Therefore, the amount of movement of water or gas can be regulated accurately and easily, and the amount of movement of water or gas relative to the catalyst layer can be controlled accurately and easily.
[0061]
On the other hand, when the gas diffusion layer is laminated on the other catalyst layer as the anode, by supplying water vapor to the catalyst layer side from the above-mentioned throttle surface in the gas diffusion layer, water vapor on the surface of the catalyst layer is reduced. The partial pressure can be increased. Also in this case, there is an advantage that the partial pressure of water vapor can be accurately and easily controlled by the throttle surface. That is, it is possible to accurately and easily control the movement amount of water or gas with respect to the catalyst layer.
[0062]
As a result, it is possible to prevent the internal resistance from increasing due to the inhibition of the wetting of the electrolyte membrane, and the generated water stays excessively on the catalyst layer side as the cathode. It is possible to prevent the movement to the hindrance. Therefore, the output of the fuel cell can be improved.
[0063]
Claim 2 According to the invention described in (4), the sheet portion other than the through holes in the intermediate sheet layer acts as a shielding wall between the porous layers. Therefore, the intermediate sheet layer acts as a throttle surface that increases the movement resistance of water and gas flowing between one porous layer and the other porous layer. The movement resistance of the diaphragm surface is almost determined by the diameter and opening ratio of the through holes in the intermediate sheet layer and the hole diameters of the pores of each porous layer.
[0064]
For this reason, the movement resistance of water and gas is determined by the intermediate sheet layer, and it is not necessary to consider the influence of the thickness of the intermediate sheet layer and each porous layer.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a unit cell of a polymer electrolyte fuel cell provided with a gas diffusion layer as a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a cross-sectional view of a main part of the gas diffusion layer.
FIG. 3 is a main part perspective view showing a planar perforated structure constituting the first porous layer and the like of the gas diffusion layer.
FIG. 4 is an explanatory view showing a molding apparatus for the gas diffusion layer.
FIG. 5 is a cross-sectional view of a main part of a gas diffusion layer shown as a second embodiment of the present invention.
FIG. 6 is an explanatory view showing a molding apparatus for the gas diffusion layer.
FIG. 7 is a cross-sectional view showing a unit cell of a conventional polymer electrolyte fuel cell.
FIG. 8 is an explanatory diagram showing the principle of the polymer electrolyte fuel cell.
[Explanation of symbols]
1 Electrolyte membrane
2 Anode (catalyst layer)
3 Cathode (catalyst layer)
6 Gas diffusion layer
61 1st porous layer (one porous layer)
61a, 62a Surface
61b, 62b hole
62 Second porous layer (the other porous layer)
63 Intermediate sheet layer
63a Through hole
B Plane perforated structure

Claims

At least one of the catalyst layers arranged on one and other surfaces of the electrolyte membrane, which is formed by laminating a porous layer made of a foamed sintered metal having at least two three-dimensional network structures A gas diffusion layer for a fuel cell that supplies gas to the catalyst layer side,
The porous layer is manufactured by foaming foamable slurry individually in a sponge shape, and is formed in a planar perforated structure in which a plurality of holes are opened on the surface in contact with the adjacent porous layer ,
The one porous layer disposed on the catalyst layer side is formed such that the average pore diameter and thickness are smaller than the average pore diameter and thickness of the other porous layer, respectively, and are overlapped with each other. The hole that opens at the boundary portion is reduced in diameter at the boundary portion between the first porous layer and the other porous layer, and the opening ratio of the holes is reduced, so that the gas and generated water generated on the catalyst layer side are reduced. A gas diffusion layer for a fuel cell, characterized in that a throttle surface for increasing movement resistance is formed .

The intermediate sheet having a plurality of through holes having a diameter larger than the diameter of the hole opened on the surface of the porous layer is disposed between the porous layers. Gas diffusion layer for fuel cells.