JP5251303B2 - Gas diffusion layer for fuel cell, membrane electrode assembly and fuel cell using the same - Google Patents
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Description
本発明は、燃料電池の膜電極接合体で用いられるガス拡散層とそれを用いた燃料電池に関する。 The present invention relates to a gas diffusion layer used in a membrane electrode assembly of a fuel cell and a fuel cell using the same.
燃料電池の一形態として固体高分子型燃料電池が知られている。固体高分子型燃料電池は他の形態の燃料電池と比較して作動温度が低く(−30℃〜120℃程度)、また、低コスト、コンパクト化が可能なことから、自動車の動力源等として期待されている。 A solid polymer fuel cell is known as one form of the fuel cell. Solid polymer fuel cells have a lower operating temperature (about -30 ° C to 120 ° C) than other types of fuel cells, and can be reduced in cost and size. Expected.
固体高分子型燃料電池は、図3に示すように、発電部を構成する膜電極接合体(MEA)50を主要な構成要素とし、それを燃料(水素)ガス流路51aおよび空気ガス流路51bを備えたセパレータ52a、52bで挟持し、加圧締結することで、1つの燃料電池セル53としている。膜電極接合体50は、イオン交換膜である電解質膜55と、その両面に形成した触媒層56,56と触媒層の外側に積層したガス拡散層57,57とからなる電極58,58とで構成される。
As shown in FIG. 3, the polymer electrolyte fuel cell includes a membrane electrode assembly (MEA) 50 constituting a power generation unit as main components, which are used as a fuel (hydrogen)
触媒層56は、白金のような触媒金属をカーボン粒子のような導電性材料の表面に担持させた粒子状の触媒物質と電解質樹脂とを、水または有機溶媒系の溶液内で分散させながら混合溶液(触媒物質含有インク)を作り、この混合溶液を固体高分子電解質膜に塗布した後、加熱乾燥して定着する等の手法により形成される。
The
ガス拡散層57は、ガス透過性と電子伝導性を合わせ備えるものであり、従来から、カーボンペーパーまたはカーボンクロスのような多孔性カーボン支持体が主に用いられている。また、ガス拡散層は発電時に生成する水の排水性を良好にするために高い撥水性を備えることが望ましく、カーボンペーパーまたはカーボンクロスの表面にポリテトラフルオロエチレン(PTFE)等の樹脂溶液をコーティングした後、乾燥させる撥水化処理が施されることもある。
The
他のガス拡散層として、特許文献1には、例えば柔軟性網状ポリマーフォームの外周面を粒径の異なる2つの集団からなる導電性非繊維状炭素粒子(例えば、カーボンブラック粉末、グラファイトフレーク等)で被覆するようにしたものが記載されている。また、特許文献2には、炭素繊維の不織布網状組織内に、グラファイト粒子(例えば、黒鉛化したカーボンブラック)とPTFEのような疎水性ポリマーの混合物を含むようにしたものが記載されている。
As another gas diffusion layer, Patent Document 1 discloses, for example, conductive non-fibrous carbon particles (for example, carbon black powder, graphite flakes, etc.) composed of two groups having different particle diameters on the outer peripheral surface of a flexible reticulated polymer foam. The one covered with is described.
本発明者らは、燃料電池用ガス拡散層に関して、継続して多くの実験と研究を行ってきているが、その過程で、膜電極接合体をセパレータで挟持し圧締して燃料電池セルとするとき、さらにはそのようにして製造された燃料電池セルの多数個を積層して1つのスタックとして圧締するときに、膜電極接合体を構成する拡散層の厚さ方向に、セパレータが有しているガス流路形状等に起因する凸状部によって局部的に集中応力が発生し、その集中応力が電解質膜に伝播して電解質膜に損傷を与え、さらには損傷を促進する場合があることを経験した。その傾向は、特許文献1に記載のように、カーボンブラック粉末のような粒状カーボンを拡散層の素材として用いる場合に、大きかった。 The inventors of the present invention have continuously conducted many experiments and researches on gas diffusion layers for fuel cells. In the process, the membrane electrode assembly is sandwiched between and clamped with a fuel cell. In addition, when a large number of the fuel cells thus manufactured are stacked and pressed as a single stack, a separator is provided in the thickness direction of the diffusion layer constituting the membrane electrode assembly. Concentrated stress is locally generated by the convex portion caused by the shape of the gas flow path, etc., and the concentrated stress may propagate to the electrolyte membrane and damage the electrolyte membrane, and may further promote the damage. Experienced that. The tendency was great when granular carbon such as carbon black powder was used as the material of the diffusion layer as described in Patent Document 1.
また、特許文献2に記載のように、グラファイト粒子と樹脂材料(例えばPTFEのような疎水性ポリマー)の混合物を拡散層の素材として用いる場合には、電解質膜の損傷程度は比較的に小さくなった。これは、樹脂材料が一種の緩衝機能を果たし、拡散層に生じる集中応力を面方向に分散させた結果と解された。しかし、粒状カーボンを素材とする拡散層と比較して、ガス拡散性において劣っていた。これは応力分散時に生じる樹脂材料の変形によって、もともとあった空隙の一部が、閉塞してしまったからと解された。
In addition, as described in
本発明は、上記のような本発明者らが実際に経験した事実に基づいてなされたものであり、圧締時に電解質膜に損傷を与えるのを抑制でき、同時に高いガス拡散性をも維持することのできる燃料電池用ガス拡散層と、そのガス拡散層を備えた膜電極接合体および燃料電池セルを提供することを課題とする。 The present invention has been made on the basis of the facts actually experienced by the inventors as described above, and can suppress damage to the electrolyte membrane during pressing, and at the same time maintain high gas diffusibility. It is an object of the present invention to provide a gas diffusion layer for a fuel cell, a membrane electrode assembly including the gas diffusion layer, and a fuel cell.
本発明による燃料電池用ガス拡散層は、構成素材として、カーボン粒子である第1の粒子材料と、カーボン粒子と樹脂の混合体から造粒して得られた第2の粒子材料とを少なくとも備えることを特徴とする。 The gas diffusion layer for a fuel cell according to the present invention includes, as constituent materials, at least a first particle material that is carbon particles and a second particle material obtained by granulation from a mixture of carbon particles and a resin. It is characterized by that.
上記のガス拡散層では、面に作用する厚さ方向の力によって生じる厚さ方向の変化量は第1の粒子素材によって抑制される。また、厚さ方向に生じる集中応力は樹脂材料を含む第2の粒子素材が変形することによって面方向に分散する。それにより、一方においてガス拡散層としての空隙率(すなわちガス拡散性)を所要に保持しながら、他方において上からの集中応力は下層に面圧として伝播することとなり、下層(例えば電解質膜)に損傷が生じるのを阻止することができる。 In the gas diffusion layer, the amount of change in the thickness direction caused by the force in the thickness direction acting on the surface is suppressed by the first particle material. Further, the concentrated stress generated in the thickness direction is dispersed in the plane direction by the deformation of the second particle material including the resin material. As a result, while maintaining the porosity (ie, gas diffusibility) as a gas diffusion layer on the one hand, the concentrated stress from above propagates as a surface pressure to the lower layer on the other hand, and the lower layer (for example, electrolyte membrane) Damage can be prevented from occurring.
本発明は、また、電解質膜と、その両面に形成した触媒層と、各触媒層の外側に積層したガス拡散層とを備える膜電極接合体であって、前記ガス拡散層が上記したガス拡散層である膜電極接合体をも開示する。さらに、前記膜電極接合体をセパレータで挟持してなる燃料電池セルも開示する。 The present invention is also a membrane electrode assembly comprising an electrolyte membrane, catalyst layers formed on both sides thereof, and gas diffusion layers laminated on the outside of each catalyst layer, wherein the gas diffusion layer is a gas diffusion layer as described above. A membrane electrode assembly that is a layer is also disclosed. Furthermore, a fuel battery cell in which the membrane electrode assembly is sandwiched between separators is also disclosed.
上記した燃料電池セルでは、締結時に、前記拡散層が、前記したようにガス拡散のための空隙を確保しながら、電解質膜に与える集中応力による損傷(膜ダメージ)を低減できる。そのために、電解質膜の破れによりガスのクロスリークを発生するのを長期にわたり防止することができる。また、空隙を確実に確保できることから、空隙の減少による排水低下によって生成水が残留し、ラジカルが生成して膜劣化を引き起こす現象を回避することができる。それにより、膜電極接合体および燃料電池セルの耐久性は大きく向上する。 In the fuel cell described above, at the time of fastening, the diffusion layer can reduce damage due to concentrated stress (film damage) applied to the electrolyte membrane while securing a gap for gas diffusion as described above. Therefore, it is possible to prevent the occurrence of gas cross leak due to the breakage of the electrolyte membrane over a long period of time. In addition, since the voids can be reliably secured, it is possible to avoid a phenomenon in which the generated water remains due to a decrease in drainage due to the decrease in the voids and radicals are generated to cause film deterioration. Thereby, the durability of the membrane electrode assembly and the fuel battery cell is greatly improved.
本発明による拡散層を用いることにより、耐久性に優れた膜電極接合体および燃料電池セルを製造することができる。 By using the diffusion layer according to the present invention, it is possible to produce a membrane electrode assembly and a fuel cell excellent in durability.
以下、本発明を実施の形態に基づき、より詳細に説明する。図1は、本発明による拡散層を用いた燃料電池セルの一例を示す。 Hereinafter, the present invention will be described in more detail based on embodiments. FIG. 1 shows an example of a fuel cell using a diffusion layer according to the present invention.
図1(a)において、1は電解質膜であり、その両側に触媒層2を積層している。電解質膜1は従来知られたイオン交換膜であってよく、固体電解質樹脂薄膜単独でもよく、PTFEのような多孔性基材からなる補強層に電解質樹脂が充填されたものでもよい。電解質樹脂としては、パーフルオロ系プロトン交換樹脂が好ましく用いられる。例えば、デュポン社製ナフィオン(商標名)、旭化成製アシプレックス(商標名)、旭硝子製フレミオン(商標名)、ジャパンゴアテックス社製ゴア−セレクト(商標名)等が例示される。触媒層2は、従来知られた方法で形成することができる。例えば、触媒溶液を電解質膜1に塗布して形成される。その場合、触媒溶液を構成する電解質樹脂は、好ましくは電解質膜を構成する電解質樹脂と同じであるが、異なっていてもよい。触媒溶液を構成する触媒担持導電体は、例えばカーボン粒子に触媒を担持させたものであり、触媒は公知のものを広く用いることができる。例えば、触媒反応における活性化過電圧が小さいことから、白金、金、パラジウム、ルテニウム、イリジウムなどの貴金属触媒が好ましく用いられる。
In FIG. 1A, 1 is an electrolyte membrane, and a
前記触媒層2,2にはガス拡散層3,3が積層されている。ガス拡散層3は、構成素材として、カーボン粒子である第1の粒子材料4と、図1(b)に模式図を示すカーボン粒子aと樹脂bの混合体から造粒して得られた第2の粒子材料5とを少なくとも備える。好ましくは、ガス拡散層3において、第1の粒子材料4と第2の粒子材料5の容量比は、第1の粒子材料4が70〜30容量%であり、第2の粒子材料5が30〜70容量%である。第1の粒子材料が70容量%を越える場合は、結果として第2の粒子材料が少なくなりすぎ、前記した圧締時に作用する集中応力に対する所要の応力分散効果が得られない場合がある。また、第1の粒子材料4が30容量%未満では、結果として第2の粒子材料5が多くなりすぎ、前記した圧締時に作用する力によって空隙率が小さくなりすぎて、ガス拡散層として所要のガス拡散性が得られない場合がある。
Gas diffusion layers 3 and 3 are laminated on the
上記のガス拡散層3において、好ましくは、第1の粒子材料4の嵩密度は1.5以上であり、第2の粒子材料5の嵩密度は0.5以下である。第1の粒子材料4の嵩密度が1.5未満では、前記した圧締時に作用する力により第1の粒子材料4に変形が生じ、ガス拡散層3としての空隙率が設計値よりも低下してしまう恐れがある。また、第2の粒子材料5の嵩密度が0.5を越える場合には、前記した圧締時に作用する力により生じる変形量が不十分となり、作用する集中応力を所要に面方向に分散できなくなる恐れがある。
In said gas diffusion layer 3, Preferably, the bulk density of the
本発明によるガス拡散層3において、第1の粒子材料4を構成するカーボン粒子と第2の粒子材料5を構成するカーボン粒子aは、同じであってもよく、異なっていてもよい。好ましくは、第1の粒子材料4を構成するカーボン粒子は、粒状黒鉛、メソフェーズカーボンマイクロビーズ等であり、平均粒径は0.5〜100μmである。第2の粒子材料5を構成するカーボン粒子aは、カーボンブラック、アセチレンブラック等である。また、第2の粒子材料5を構成する樹脂材料bは、燃料電池の運転時における酸性環境に対する耐酸性がありかつ形態を維持できることを条件に任意の樹脂材料を用いることができるが、好ましくはフッ素系樹脂であり、例として、PTFE,PVDF,ETFE等が挙げられる。造粒して得られた第2の粒子材料5の平均粒径は0.5〜100μmである。
In the gas diffusion layer 3 according to the present invention, the carbon particles constituting the
カーボン粒子である第1の粒子材料4は、従来知られた任意の方法で製造することができる。例えば、熱硬化性樹脂(例えばフェノール樹脂)の球状物を2000〜3000℃で焼成することにより、高硬度であり嵩密度が1.5以上の純粋カーボン球が得られる。
The
カーボン粒子aと樹脂bの混合体から造粒して得られる第2の粒子材料5も、従来知られた任意の方法で製造することができる。例えば、一例として、カーボン粒子aと樹脂bと溶媒との混合溶液を、ノズル先端から霧吹き状にスプレーする、いわゆるスプレードライ法が挙げられる。ノズルの先端径や吹き出し圧等を適宜選択することにより、所望の粒径の第2の粒子材料5を造粒することができる。他に、タブレッティング、乾式破砕造粒のような製造方法も例として挙げることができる。
The second
上記第1の粒子材料4と第2の粒子材料5を用いてガス拡散層3を形成するには、図2(a)に示すように、適宜の基材10の上に、所要比率で第1の粒子材料4と第2の粒子材料5を混合した混合物6を所要の厚さに散布し、それを加熱プレスする方法、あるいは、図2(b)に示すように、第1の粒子材料4と第2の粒子材料5を例えば界面活性剤を含む水系溶媒、有機溶媒のような溶媒7中に所要の比率で混入した溶液(拡散層用インク)8を所要の秤量で適宜の基材10上に塗布した後、加熱乾燥して溶媒を除去する方法、等を例示できる。その場合に、基材には、剥離性のある樹脂シート、膜電極接合体を構成する触媒層、カーボンファイバーシート等を例示できる。樹脂シートを基材とする場合には、形成後のガス拡散層を触媒層等に転写する。カーボンファイバーシートを基材とする場合は、それ全体をガス拡散層とすることができ、適宜の方法で触媒層等の上に積層する。
In order to form the gas diffusion layer 3 by using the
そのようにして、触媒層2の上に拡散層3を形成することにより、本発明による膜電極接合体9とされ、その両面を従来と同様に、燃料(水素)ガス流路51aおよび空気ガス流路51bを備えたセパレータ52a、52bで挟持し、加圧締結することで、1つの燃料電池セルAとされる。
Thus, by forming the diffusion layer 3 on the
この燃料電池セルAでは、膜電極接合体9を構成するガス拡散層3が、カーボン粒子である第1の粒子材料4と、カーボン粒子と樹脂の混合体から造粒して得られた第2の粒子材料5とで構成されており、締結時に、第1の粒子材料4によってガス拡散のための空隙を確保しながら、第2の粒子材料5によって圧締時の集中応力を面方向に分散することができ、それにより電解質膜1に与える集中応力による損傷(膜ダメージ)を低減することができる。それにより、電解質膜1の破れによりガスのクロスリークを発生するのを長期にわたり防止することができる。また、空隙を確実に確保できることから、生成水の残留によりラジカルが生成して膜劣化を引き起こす現象も回避できる。それにより、膜電極接合体9および燃料電池セルAの耐久性は大きく向上する。
In this fuel cell A, the gas diffusion layer 3 constituting the membrane electrode assembly 9 is obtained by granulating a
以下、実施例により本発明を説明する。
(a)フェノール樹脂の球状物を2000〜3000℃で焼成することにより、平均粒子径50μmの高硬度であり嵩密度が1.5以上の高硬度の粒状黒鉛を得た。それを第1の粒子材料Aとした。
(b)カーボンブラック粉末とPTFE粉末とを有機溶媒中に溶かしたものを、スプレードライ法により造粒し、嵩密度0.5以下であり平均粒子径50μmである高弾性粒子を得た。それを第2の粒子材料Bとした。
(c)表1に示すように、第1の粒子材料Aと第2の粒子材料Bとを混合比率を変えて混合した4種の材料を用意し、それぞれの材料を基材シートに所定厚さに散布し、加熱プレスした後、基材シートを除去して、4種のガス拡散層を得た。
(d)4種のガス拡散層を水平な基材の上に置き、その上から、0.5MPaの初期加重を掛け、1.5MPaまで加重を増加させた。初期加重を掛けたときの厚さと、1.5MPaまで加重を増加させたときの厚さと差を、厚み変化量として表1に示した。
(e)上記4種のガス拡散層を用い、他の構成および条件は同じにして、膜電極接合体を作り、その両面をガス流路を有するセパレータで圧締挟持して燃料電池セルとした。一方のセパレータのガス流路に水素ガスを、他方のセパレータのガス流路に窒素ガスを、通常の燃料電池の運転状態より高い圧力で供給し、ガスのクロスリークが発生するまでの時間を測定した(加速試験)。その結果を表1に示した。
Hereinafter, the present invention will be described by way of examples.
(A) Spherical phenol resin was fired at 2000 to 3000 ° C. to obtain high-hardness granular graphite having an average particle diameter of 50 μm and a bulk density of 1.5 or more. This was designated as the first particulate material A.
(B) A carbon black powder and a PTFE powder dissolved in an organic solvent were granulated by a spray drying method to obtain highly elastic particles having a bulk density of 0.5 or less and an average particle diameter of 50 μm. This was designated as the second particulate material B.
(C) As shown in Table 1, four types of materials in which the first particle material A and the second particle material B are mixed at different mixing ratios are prepared, and each material has a predetermined thickness on a base sheet. After spraying and heating and pressing, the substrate sheet was removed to obtain four types of gas diffusion layers.
(D) Four types of gas diffusion layers were placed on a horizontal base material, and an initial load of 0.5 MPa was applied from above, and the load was increased to 1.5 MPa. Table 1 shows the difference between the thickness when the initial load is applied and the thickness when the load is increased to 1.5 MPa as a thickness change amount.
(E) The above four types of gas diffusion layers were used, the other configurations and conditions were the same, and a membrane electrode assembly was prepared. . Supply hydrogen gas to the gas flow path of one separator and supply nitrogen gas to the gas flow path of the other separator at a pressure higher than the normal fuel cell operating state, and measure the time until gas cross leak occurs (Accelerated test). The results are shown in Table 1.
(f)評価
比較例1と比較して、実施例1と2はともに厚み変化量が大きくなっている。これは、実施例1と2のものは、第2の粒子材料Bが30%または70%混入しており、それによって、面方向への応力分散が進行した結果であると推測される。比較例1のものは第2の粒子材料Bの混合量が0%であり、潰れによる厚さ変化が生じないために、厚み変化量が比較して小さいものと推測できる。比較例1をガス拡散層として用いる場合には、電解質膜に集中応力が作用して、電解質膜にダメージを生じさせる恐れがある。
(F) Evaluation Compared with Comparative Example 1, both Examples 1 and 2 have a larger thickness change amount. It is presumed that in Examples 1 and 2, the second particulate material B is mixed by 30% or 70%, and as a result, the stress distribution in the surface direction progresses. In Comparative Example 1, since the mixing amount of the second particulate material B is 0%, and the thickness change due to crushing does not occur, it can be estimated that the thickness change amount is small compared. When Comparative Example 1 is used as a gas diffusion layer, concentrated stress may act on the electrolyte membrane, causing damage to the electrolyte membrane.
他方、比較例2のものは、実施例1と2と比較して、厚み変化量が大きくなっている。これは、比較例2のものは第2の粒子材料Bが100%であり、高硬度である第1の粒子材料Aが存在しないことから、潰れすぎたものと推測される。そのように厚み変化量が大きくなると、空隙量が少なくなることから、比較例2のガス拡散層では、所望のガス拡散性が得られない恐れがある。比較して、実施例1と2のものは所要の空隙率が確保されていると解される。 On the other hand, the thickness change amount of Comparative Example 2 is larger than that of Examples 1 and 2. This is presumed that the material of Comparative Example 2 was too crushed because the second particle material B was 100% and the first particle material A having high hardness was not present. When the amount of change in thickness is increased, the amount of voids is reduced, so that the desired gas diffusibility may not be obtained in the gas diffusion layer of Comparative Example 2. In comparison, Examples 1 and 2 are understood to have the required porosity.
加速試験によるクロスリークが発生するまでの時間は、比較例1,2と比較して、実施例1,2は長くなっている。比較例1の場合は、集中応力が電解質膜に作用してダメージを与えた結果と推測され、比較例2の場合は、空隙率の低下が排水低下を引き起こし、その結果、ラジカルが生成されて膜劣化を引き起こしたものと推測される。このことから、本発明品である実施例1と2のものは、ともに燃料電池セルの耐久性向上に寄与していることがわかる。 Compared with Comparative Examples 1 and 2, the time until the occurrence of cross leak in the acceleration test is longer in Examples 1 and 2. In the case of Comparative Example 1, it is presumed that the concentrated stress acts on the electrolyte membrane to cause damage, and in the case of Comparative Example 2, the decrease in porosity causes a decrease in drainage, resulting in the generation of radicals. Presumed to have caused film deterioration. From this, it can be seen that the products of Examples 1 and 2 which are the products of the present invention contribute to the improvement of the durability of the fuel cell.
A…燃料電池セル、1…電解質膜、2…触媒層、3…ガス拡散層、4…カーボン粒子である第1の粒子材料、5…カーボン粒子と樹脂の混合体から造粒して得られた第2の粒子材料、a…カーボン粒子、b…樹脂、9…膜電極接合体、52a,52b…セパレータ A ... fuel cell, 1 ... electrolyte membrane, 2 ... catalyst layer, 3 ... gas diffusion layer, 4 ... first particle material that is carbon particles, 5 ... obtained by granulation from a mixture of carbon particles and resin Second particle material, a ... carbon particles, b ... resin, 9 ... membrane electrode assembly, 52a, 52b ... separator
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