JP5476694B2

JP5476694B2 - 燃料電池及び燃料電池用ガス拡散層とその製造方法

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Publication number: JP5476694B2
Application number: JP2008241093A
Authority: JP
Inventors: 敦青木; 豊田崎
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2008-09-19
Filing date: 2008-09-19
Publication date: 2014-04-23
Anticipated expiration: 2028-09-19
Also published as: JP2010073563A

Description

この発明は、燃料電池及び燃料電池用ガス拡散層とその製造方法に関する。

燃料電池では、アノード電極触媒層及びカソード電極触媒層において、以下の反応が進行して発電する。

アノード反応で生成されるプロトンＨ⁺は、水分子とクラスターを形成して水分子とともに、電解質膜をアノード側からカソード側まで通過する。そしてカソード反応に供される。電解質膜中のカソード側に水が集まり、電解質膜中のカソード側とアノード側で湿潤度合が相違すると、この差を解消するように水が拡散し、電解質膜中のアノード側に水が戻る。この水が再びプロトン移動に利用されることで発電が維持される。

そして特許文献１では、ガス拡散層に親水性領域と撥水性領域とを形成することで、ガス拡散層の保水性能に変化を付けることで、燃料電池を高電流密度で運転したときに、電解質膜のアノード側の一部が乾燥してしまうという問題を解決していた。
特開平７−１３４９９２号公報

しかしながら、カソード側の親水性領域からガス流れにより排出可能な液水量以上の生成水量となる高電流密度で運転しようとすると、親水性領域のガス拡散層の空孔が液水で閉塞して触媒層への反応ガスの拡散が抑制されるという問題が、本件発明者らによって知見された。

本発明は、このような従来の問題点に着目してなされたものであり、高電流密度での運転においても、ガス拡散層の空孔が液水で閉塞されることのない燃料電池用ガス拡散層及び燃料電池とその製造方法を提供することを目的とする。

本発明は以下のような解決手段によって前記課題を解決する。

本発明は、撥水性の多孔質体で形成した最多分布空孔径の大きさ及び厚さが異なる凸部と凹部とをカソードガス流路に面して交互に並ぶように有するカソードガス拡散層とした。具体的には、凸部における最多分布空孔径の大きさは凹部おける大きさより大きくした。

本発明によれば、カソードガス拡散層は、撥水性の多孔質体で形成され、カソードセパレータに形成されたカソードガス流路に沿って交互に並ぶ、最多分布空孔径が大きく厚さが厚い凸部と、最多分布空孔径が小さく厚さが薄い凹部と、を備えるので、触媒反応で生成された水分Ｈ₂Ｏは、カソードガス拡散層の凹部から凸部へ移動する。そしてカソードガス拡散層の表面積が大きくなっているので、カソードガスが流れたときに、凸部の空孔から液水が蒸発しやすい。そしてカソードガス拡散層１２１の凸部の含水量が減少する。含水量が減少すれば、ガス拡散性は向上する。そのため燃料電池の良好な発電効率が得られるのである。

以下では図面等を参照して本発明を実施するための最良の形態について説明する。
（第１実施形態）
図１は本発明による燃料電池の第１実施形態を示す図であり、図１(Ａ)はカソードガス拡散層を上方から見た平面図、図１(Ｂ)は図１(Ａ)のＢ−Ｂ断面図、図１(Ｃ)は図１(Ａ)のＣ−Ｃ断面図である。

燃料電池セル１は、膜電極接合体(Membrane Electrode Assembly；以下「ＭＥＡ」という)１０の表裏両面にカソードガス拡散層(Gas Diffusion Layer；ＧＤＬ)１２１及びアノードガス拡散層１２２が配置される。そしてカソードガス拡散層１２１の表面がカソードセパレータ１３１の反応ガス流路に面する。アノードガス拡散層１２２の表面がアノードセパレータ１３２の反応ガス流路に面する。

ＭＥＡ１０は、電解質膜１１と、カソード電極触媒層１１１と、アノード電極触媒層１１２と、を含む。

電解質膜１１は、フッ素系樹脂により形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜である。電解質膜１１は、湿潤状態で良好な電気伝導性を示す。そのため、電解質膜１１の性能を引き出して発電効率を向上させるには、電解質膜１１の含水状態を最適に保つ必要がある。そこで、本実施形態では、燃料電池セル１に導入する反応ガス(カソードガス及びアノードガス)を加湿している。なお、電解質膜１１の含水状態を最適に保つための水には純水を用いるとよい。これは不純物が混入した水を燃料電池セル１に供給しては、電解質膜１１に不純物が蓄積し発電効率が低下するからである。

カソード電極触媒層１１１は電解質膜１１の片面(図１(Ｂ)の上側)に設けられる。アノード電極触媒層１１２は反対面(図１(Ｂ)の下側)に設けられる。カソード電極触媒層１１１及びアノード電極触媒層１１２は、たとえば白金が担持されたカーボンブラック粒子で形成される。

カソードガス拡散層１２１は、カソード電極触媒層１１１の外側(図１(Ｂ)では上側)に配置される。カソードガス拡散層１２１は、撥水性である。カソードガス拡散層１２１は、十分なガス拡散性及び導電性を有する多孔体である。カソードガス拡散層１２１には、カソードセパレータ１３１のカソードガス流路１３１ａに沿って凸部１２１ａと凹部１２１ｂとが交互に並ぶ。カソードガス拡散層１２１の凸部１２１ａ及び凹部１２１ｂは、カソードガス流路１３１ａの幅方向にも交互に並ぶ。そのピッチは、図１(Ｃ)に示すようにカソードガス流路１３１ａの流路幅よりも狭い。凸部１２１ａは、凹部１２１ｂよりも最多分布空孔径が大きく厚さが厚い。反対に凹部１２１ｂは、凸部１２１ａよりも最多分布空孔径が小さく厚さが薄い。最多分布空孔径については後述する。

アノードガス拡散層１２２は、アノード電極触媒層１１２の外側(図１(Ｂ)では下側)に配置される。アノードガス拡散層１２２は、親水性である。アノードガス拡散層１２２は、十分なガス拡散性及び導電性を有する多孔体である。

図２は、最多分布空孔径を説明する図である。

上述のようにカソードガス拡散層１２１及びアノードガス拡散層１２２は、十分なガス拡散性及び導電性を有する多孔体である。この孔径の分布は、通常は図２(Ａ)のように正規分布になる。このような場合は中央値が最も多く分布する空孔径(最多分布空孔径)である。しかしながら、製造バラツキで図２(Ｂ)や図２(Ｃ)のように分布することもある。このような場合であっても、最も多く分布する空孔径によって特性が支配されやすいので、本発明では特にこの最多分布空孔径に着目している。なお空孔径の分布は、JIS R 1655にあるように水銀圧入法によって計測可能である。

図３は、本発明による燃料電池ガス拡散層構造の第１実施形態による作用を説明する図である。

本実施形態では、カソードガス拡散層１２１は、十分なガス拡散性及び導電性を有する多孔体などで形成される。カソードガス拡散層１２１の反応ガス流路に面する部分には、凸部１２１ａと凹部１２１ｂとが並ぶ。

燃料電池にアノードガスＨ₂及びカソードガスＯ₂が供給されると、そのアノードガスＨ₂はアノードガス拡散層１２２で拡散され、アノード電極触媒層１１２に供給される。またカソードガスＯ₂はカソードガス拡散層１２１で拡散され、カソード電極触媒層１１１に供給される。そして、アノード電極触媒層１１２、カソード電極触媒層１１１において、上述の触媒反応が進行して発電する。

カソード電極触媒層１１１では触媒反応によって液水Ｈ₂Ｏが生成される。凸部１２１ａの最多分布空孔径が、凹部１２１ｂの最多分布空孔径よりも大きいので、凸部１２１ａにおける液水の流動抵抗は凹部１２１ｂにおける液水の流動抵抗よりも小さい。またカソードガス拡散層１２１が撥水性なので、この液水Ｈ₂Ｏは毛細管現象によって、図中矢印で示したようにカソードガス拡散層１２１の凹部１２１ｂから凸部１２１ａへ移動する。そしてカソードガス拡散層１２１の表面積が大きくなっているので、カソードガスが流れたときに、凸部１２１ａの空孔から液水が蒸発しやすい。そしてカソードガス拡散層１２１の凸部１２１ａの含水量が減少する。含水量が減少すれば、ガス拡散性は向上する。そのため燃料電池の良好な発電効率が得られるのである。

（第２実施形態）
図４は本発明による燃料電池の第２実施形態を示す図であり、図４(Ａ)はカソードガス拡散層を上方から見た平面図、図４(Ｂ)は図４(Ａ)のＢ−Ｂ断面図、図４(Ｃ)は図４(Ａ)のＣ−Ｃ断面図、図４(Ｄ)は図４(Ａ)のＤ−Ｄ断面図である。

本実施形態では、カソードガス拡散層１２１には、列状(線状)の凸部１２１ａと凹部１２１ｂとが交互に並ぶ。そしてカソードガス拡散層１２１にカソードセパレータ１３１が重なる。

このように構成されると、カソードセパレータ１３１のリブ１３１ｂの下に分布する空孔は、リブ１３１ｂで圧縮されて縮径する。そのためカソードセパレータ１３１のリブ１３１ｂの下に分布する空孔の最多分布空孔径が、カソードガス流路１３１ａの下に分布する空孔の最多分布空孔径よりも小さくなる。すると上述の触媒反応で生成された液水Ｈ₂Ｏは、カソードガス拡散層１２１のリブ１３１ｂの下からカソードガス流路１３１ａの下へ移動し、液水Ｈ₂Ｏが蒸発しやすくなり、ガス拡散性が向上し、燃料電池の良好な発電効率が得られるのである。

（第３実施形態）
図５は本発明による燃料電池の第３実施形態を示す図であり、図５(Ａ)は図５(Ｂ)のＡ−Ａ断面図、図５(Ｂ)はアノードガス拡散層を下方から見た下面図、図５(Ｃ)は図５(Ｂ)のＣ−Ｃ断面図である。

アノードガス拡散層１２２は、アノード電極触媒層１１２の外側に配置される。アノードガス拡散層１２２は、親水性である。アノードガス拡散層１２２は、十分なガス拡散性及び導電性を有する多孔体である。

アノードガス拡散層１２２には、アノードセパレータ１３２のアノードガス流路１３２ａに沿って凸部１２２ａと凹部１２２ｂとが交互に並ぶ。アノードガス拡散層１２２の凸部１２２ａ及び凹部１２２ｂは、アノードガス流路１３２ａの幅方向にも交互に並ぶ。そのピッチは、図５(Ｃ)に示すようにアノードガス流路１３２ａの流路幅よりも狭い。凸部１２２ａは、凹部１２２ｂよりも最多分布空孔径が大きく厚さが厚い。反対に凹部１２２ｂは、凸部１２２ａよりも最多分布空孔径が小さく厚さが薄い。

図６は、本発明による燃料電池ガス拡散層構造の第３実施形態による作用を説明する図である。

電解質膜の発電時には、イオンとともに水分子も、アノード側からカソード側へ移動する。水移動量が増加する高電流密度で発電しようとするとアノード側の電解質膜の加湿に供される液水が不足して、電解質膜のアノード側が乾燥するおそれがある。

本実施形態の構造にすれば、アノードガス拡散層１２２が親水性なので、毛細管現象によって図中矢印で示したように、アノードガス拡散層１２２の凸部１２２ａから凹部１２２ｂへ水分子が移動する。すなわち水移動量が少ない低電流密度運転時には、アノードガス拡散層１２２の凸部１２２ａに多量の液水が保持されることとなる。その後、高電流密度運転に切り替わると、凸部１２２ａに保持されていた液水が浸透して電解質膜１１が加湿される。したがって高電流密度時にも、アノード側の電解質膜を加湿するための液水が不足することがなく、電解質膜の導電率が向上し、発電の効率が向上する。

（第４実施形態）
図７は、本発明による燃料電池の第４実施形態を示す断面図である。

本実施形態では、アノードガス拡散層１２２の凸部１２２ａは、ＭＥＡ１０を挟んでカソードガス拡散層１２１の凸部１２１ａの裏側に位置する。またアノードガス拡散層１２２の凹部１２２ｂは、ＭＥＡ１０を挟んでカソードガス拡散層１２１の凹部１２１ｂの裏側に位置する。

上述のように、触媒反応による生成水Ｈ₂Ｏは、カソードガス拡散層１２１の凹部１２１ｂから凸部１２１ａへ移動するので、凹部１２１ｂが乾燥しやすい。

しかしながら本実施形態のように構成することで、アノードガス拡散層１２２では、凸部１２２ａから凹部１２２ｂへ水分子が移動し、この水分子がイオンとともにアノード側からカソード側へ移動するので、カソードガス拡散層１２１の凹部１２１ｂの乾燥を一層効果的に防止できるのである。

（ガス拡散層の製造方法）
図８は本発明によるガス拡散層の製造方法を示す図であり、図８(Ａ)は型載置工程を示し、図８(Ｂ)は凹凸形成工程を示す。

はじめに図８(Ａ)に示すように、最多分布空孔径が一様に分散するガス拡散層基体１２に対して凹凸のある押型２０を載置する(型載置工程＃１０１)。

そして図８(Ｂ)に示すように、押型２０でガス拡散層基体１２を押圧してガス拡散層基体１２に凹凸を形成することで、最多分布空孔径が大きく厚さが厚い凸部１２ａと、最多分布空孔径が小さく厚さが薄い凹部１２ｂと、を形成する(凹凸形成工程＃１０２)。

このように製造すれば単純な工程によって本発明の構成を備えるガス拡散層が製造できるので、製造コストが安価である。なおこの製造方法によれば、カソードガス拡散層１２１、アノードガス拡散層１２２のいずれをも製造可能である。

以上説明した実施形態に限定されることなく、その技術的思想の範囲内において種々の変形や変更が可能であり、それらも本発明の技術的範囲に含まれることが明白である。

たとえば、図９に示すように、アノードガス拡散層１２２に列状(線状)の凸部１２２ａと凹部１２２ｂとが交互に並ぶ構成であってもよい。このようにすればアノードセパレータ１３２のリブ１３２ｂの下に分布する空孔は、リブ１３２ｂで圧縮されて縮径され、水分子の移動効果が大きくなる。

本発明による燃料電池の第１実施形態を示す図である。最多分布空孔径を説明する図である。本発明による燃料電池ガス拡散層構造の第１実施形態による作用を説明する図である。本発明による燃料電池の第２実施形態を示す図である。本発明による燃料電池の第３実施形態を示す図である。本発明による燃料電池ガス拡散層構造の第３実施形態による作用を説明する図である。本発明による燃料電池の第４実施形態を示す断面図である。本発明によるガス拡散層の製造方法を示す図である。本発明による燃料電池の他の実施形態を示す図である。

符号の説明

１０膜電極接合体
１２１カソードガス拡散層
１２１ａ凸部
１２１ｂ凹部
１２２アノードガス拡散層
１２２ａ凸部
１２２ｂ凹部
１３１カソードセパレータ
１３１ａカソードガス流路
１３１ｂカソードセパレータリブ
１３２アノードセパレータ
１３２ａアノードガス流路
１３２ｂアノードセパレータリブ

Claims

膜電極接合体を挟んで配置されるカソードガス拡散層及びアノードガス拡散層と、それらの外側に配置されるカソードセパレータ及びアノードセパレータと、を有する燃料電池であって、
前記カソードガス拡散層は、凸部と凹部とを有する撥水性の多孔質体で形成され、前記カソードセパレータに形成されたカソードガス流路に面して前記凸部と前記凹部とが交互に並び、前記カソードガス拡散層の凸部は、最多分布空孔径が前記カソードガス拡散層の凹部における最多分布空孔径に対して大きく、厚さが前記カソードガス拡散層の凹部における厚さに対して厚い、
ことを特徴とする燃料電池。
前記カソードガス拡散層の凸部及び凹部は、前記カソードガス流路の幅方向にも交互に並び、ピッチがカソードガス流路の流路幅よりも狭い、
ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
前記カソードガス拡散層は、前記カソードガス流路の下に分布する空孔の最多分布空孔径が、前記カソードセパレータのリブ下に分布する空孔の最多分布空孔径よりも大きい、
ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の燃料電池。
前記アノードガス拡散層は、凸部と凹部とを有する親水性の多孔質体で形成され、前記アノードセパレータに形成されたアノードガス流路に面して交互に並び、前記アノードガス拡散層の凸部は、最多分布空孔径が前記アノードガス拡散層の凹部における最多分布空孔径に対して大きく、厚さがアノードガス拡散層の凹部における厚さに対して厚い、
ことを特徴とする請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の燃料電池。
前記アノードガス拡散層の凸部及び凹部は、前記アノードガス流路の幅方向にも交互に並び、ピッチがアノードガス流路の流路幅よりも狭い、
ことを特徴とする請求項４に記載の燃料電池。
前記アノードガス拡散層は、前記アノードガス流路の下に分布する空孔の最多分布空孔径が、前記アノードセパレータのリブ下に分布する空孔の最多分布空孔径よりも大きい、
ことを特徴とする請求項４又は請求項５に記載の燃料電池。
前記アノードガス拡散層の凸部は、膜電極接合体を挟んで前記カソードガス拡散層の凸部の裏側に位置し、
前記アノードガス拡散層の凹部は、膜電極接合体を挟んで前記カソードガス拡散層の凹部の裏側に位置する、
ことを特徴とする請求項４から請求項６までのいずれか１項に記載の燃料電池。
凸部と凹部とを有する撥水性の多孔質体で形成され、カソードセパレータが重ねられたときにカソードガス流路に面して前記凸部と前記凹部とが交互に並び、前記カソードガス拡散層の凸部は、最多分布空孔径が前記カソードガス拡散層の凹部における最多分布空孔径に対して大きく、厚さが前記カソードガス拡散層の凹部における厚さに対して厚い、
ことを特徴とする燃料電池用カソードガス拡散層。
請求項８に記載の燃料電池用カソードガス拡散層の製造方法であって、
最多分布空孔径が一様に分散するカソードガス拡散層基体に対して凹凸のある押型を載置する型載置工程と、
前記押型で前記カソードガス拡散層基体を押圧してすることで、最多分布空孔径が前記カソードガス拡散層基体の凹部における最多分布空孔径に対して大きく、厚さが前記カソードガス拡散層基体の凹部における厚さに対して厚い凸部と、凹部と、を形成する凹凸形成工程と、
を有する燃料電池用カソードガス拡散層の製造方法。