JP7052418B2 - ガス拡散層 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池に用いられるガス拡散層に関する。

燃料電池は、複数の燃料電池セルを積層することによって構成されており、供給される酸化ガスと燃料ガスとの電気化学反応により発電する。燃料電池セルとしては、例えば下記特許文献１に記載のように、電解質膜、一対の電極及び一対のガス拡散層を有する膜電極ガス拡散層接合体と、エキスパンドメタルを用いた一対のセパレータとを備えるものが知られている。このような構造を有する燃料電池セルでは、セパレータに設けられた流体流路としてエキスパンドメタルを用いることにより、ガス拡散性をある程度確保できるので、ガス拡散層の薄型化を図ることができる。

特開２０１７－１３０３６４号公報

しかし、上述した燃料電池セルでは、エキスパンドメタルを用いたセパレータを溝状の流体流路を有するセパレータに置き換えた場合、ガス拡散層が薄いため、ガス拡散層とセパレータとの接触が悪くなり、ガス拡散層とセパレータとの接触抵抗が増加する問題があった。この問題を解決するために、ガス拡散層を厚くする対策が想定されるが、ガス拡散層を厚くすることに起因してガス拡散性が落ちてしまい、燃料電池セルの発電性能の低下を招く問題が新たに生じる。

本発明は、このような技術課題を解決するためになされたものであって、セパレータとの接触抵抗の増加を抑制できるとともに、ガス拡散性の低下を防止できるガス拡散層を提供することを目的とする。

本発明に係るガス拡散層は、溝状の流体流路を有するセパレータと接するように配置されるガス拡散層であって、細孔径と厚さとの比率が０．３５以上である拡散層基材を備えることを特徴としている。

本発明に係るガス拡散層によれば、細孔径と厚さとの比率が０．３５以上である拡散層基材を備えるので、ガス拡散層の厚さを確保しつつ、細孔径を大きくすることができる。このため、ガス拡散層とセパレータとの接触抵抗の増加を抑制できるとともに、ガス拡散性の低下を防止することができる。

本発明に係るガス拡散層において、前記拡散層基材は、導電性炭素繊維を有し、前記導電性炭素繊維の含有率が３０％以上であることが好ましい。このようにすれば、拡散層基材の強度を確保することができる。

本発明に係るガス拡散層において、前記導電性炭素繊維は、カーボンファイバーであることが好ましい。このようにすれば、カーボンファイバーの優れた機械的な特性及び導電性を利用することで、拡散層基材の強度を高めつつ、セパレータとの接触抵抗の増加を抑制することができる。

本発明によれば、セパレータとの接触抵抗の増加を抑制できるとともに、ガス拡散性の低下を防止することができる。

実施形態に係るガス拡散層を備えた燃料電池の要部を示す模式断面図である。 実施形態に係るガス拡散層の構造を示す模式断面図である。 拡散層基材における細孔径と厚さとの比率とセル電圧との関係を示す図である。 拡散層基材における法線透気度と面内透気度との比率とセル電圧との関係を示す図である。 拡散層基材のカーボンファイバーの割合、ガス拡散層曲げ弾性率、及び法線透気度と面内透気度との比率の関係を示す図である。

以下、図面を参照して本発明に係るガス拡散層の実施形態について説明するが、その前に図１を基にガス拡散層を備えた燃料電池の構造を簡単に説明する。

図１は実施形態に係るガス拡散層を備えた燃料電池の要部を示す模式断面図である。図１に示すように、燃料電池１０には、基本単位である燃料電池セル１が複数積層されている。燃料電池セル１は、酸化ガス（例えば空気）と、燃料ガス（例えば水素ガス）との電気化学反応により起電力を発生する固体高分子型燃料電池である。この燃料電池セル１は、ＭＥＧＡ（膜電極ガス拡散層接合体 Membrane Electrode & Gas Diffusion Layer Assembly）２と、ＭＥＧＡ２を挟持する一対のセパレータ３，３とを備えている。

ＭＥＧＡ２は、ＭＥＡ（膜電極接合体 Membrane Electrode Assembly）４と、ＭＥＡ４の両面に配置されたガス拡散層７，７とが、一体化されたものである。ＭＥＡ４は、電解質膜５と、電解質膜５を挟むように接合された一対の電極６，６とからなる。電解質膜５は、固体高分子材料で形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜からなる。電極６は、例えば、白金などの触媒を担持した例えば多孔質のカーボン素材により形成されている。電解質膜５の一方側に配置された電極６がアノード電極となり、他方側の電極６がカソード電極となる。ガス拡散層７は、酸化ガス又は燃料ガスを電極６に対して均一に供給するための構造であり、その詳細説明は後述する。

ＭＥＧＡ２は燃料電池１０の発電部を構成しており、セパレータ３はＭＥＧＡ２のガス拡散層７と接するように配置されている。セパレータ３は、凹部３ａと凸部３ｂとを交互に繰り返すことにより波形に形成されている。凹部３ａの底部は平面状を呈しており、ＭＥＧＡ２のガス拡散層７と面接触している。一方、凸部３ｂの頂部も平面状を呈しており、隣接するセパレータ３における凸部３ｂの頂部と面接触している。

図１に示すように、一対のガス拡散層７，７のうち一方のガス拡散層７は、それに隣接するセパレータ３の凸部３ｂとともに、燃料ガスが流通する溝状の燃料ガス流路２１を画成している。他方のガス拡散層７は、それに隣接するセパレータ３の凸部３ｂとともに、酸化ガスが流通する溝状の酸化ガス流路２２を画成している。そして、燃料ガス流路２１と酸化ガス流路２２とは、それぞれ特許請求の範囲に記載の「流体流路」に相当するものである。

燃料電池セル１同士は、ある燃料電池セル１のアノード電極６と、それに隣接する他の燃料電池セル１のカソード電極６とを向き合わせた状態で積層されている。これによって、隣接したセパレータ３における溝状の凹部３ａ同士の間には、空間２３が形成されている。この空間２３は、冷媒が流通する冷媒流路になり、特許請求の範囲に記載の「流体流路」に相当するものである。

図２は実施形態に係るガス拡散層の構造を示す模式断面図である。図２に示すように、ガス拡散層７は、導電性及びガス拡散性を有する多孔質の拡散層基材７１と、該拡散層基材７１の表面に設けられた撥水層７２とを備えている。拡散層基材７１は、例えば導電性炭素繊維及び熱可塑性樹脂等によってシート状に形成されている。導電性炭素繊維としては、カーボンファイバー、カーボンペーパ、カーボンクロス等が挙げられる。本実施形態では、導電性炭素繊維としてカーボンファイバーが用いられている。なお、カーボンファイバーは、ＰＡＮ系カーボンファイバーであっても良く、ピッチ系カーボンファイバーであっても良い。

撥水層７２は、例えばカーボンブラック等の導電性粒子、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）等の高分子及び酸化セリウム等の添加物によって形成されている。このように構成されたガス拡散層７は、拡散層基材７１がセパレータ３側、撥水層７２が電極６側にそれぞれ向くように配置されている。

本実施形態では、拡散層基材７１における細孔径と厚さとの比率（細孔径／厚さ）は０．３５以上である。また、拡散層基材７１における法線透気度と面内透気度との比率（法線透気度／面内透気度）は４５（単位：×１０^６ｍ^－２）以上と設定されている。更に、拡散層基材７１におけるカーボンファイバーの含有率は、３０％以上と設定されている。以下、図３～図５を参照してそれぞれの設定根拠を説明する。

図３は拡散層基材における細孔径と厚さとの比率とセル電圧との関係を示す図である。図３に示すように、従来では、エキスパンドメタルを用いたセパレータを溝状の流体流路を有するセパレータに適用すると、拡散層基材の厚さが厚くなるので、細孔径と厚さとの比率が減少し、セル電圧（すなわち、燃料電池セルの発電性能）が低下してしまう。一方、細孔径と厚さとの比率が０．３５以上である本発明では、仮にエキスパンドメタルを用いたセパレータを溝状の流体流路を有するセパレータに適用して拡散層基材の厚さが厚くなっても、セル電圧を高く維持することができるので、燃料電池セルの発電性能を向上させることができる。

図４は拡散層基材における法線透気度と面内透気度との比率とセル電圧との関係を示す図である。ここで、法線透気度は拡散層基材の厚み方向の透気度であり、面内透気度は拡散層基材における平面方向の透気度である。

図４に示すように、従来では、エキスパンドメタルを用いたセパレータを溝状の流体流路を有するセパレータに適用すると、細孔径と厚さとの比率の減少に伴って、法線透気度と面内透気度との比率が減り、燃料電池セルの発電性能が低下してしまう。一方、法線透気度と面内透気度との比率が４５（単位：×１０^６ｍ^－２）以上である本発明では、仮にエキスパンドメタルを用いたセパレータを溝状の流体流路を有するセパレータに適用して拡散層基材の厚さが厚くなっても、燃料電池セルの発電性能を向上させることができる。

なお、拡散層基材における細孔径と厚さとの比率が０．３５以上、拡散層基材における法線透気度と面内透気度との比率が４５（単位：×１０^６ｍ^－２）以上であった場合、ガス拡散層の機械的な強度が低下することが懸念される。これに対して、拡散層基材におけるカーボンファイバーの割合（すなわち、カーボンファイバーの含有率）を調整することによって、ガス拡散層の機械的な強度の低下を防止することが可能である。

すなわち、図５に示すように、拡散層基材におけるカーボンファイバーの含有率が３０％以上の場合、ガス拡散層の曲げ弾性率が低くなるので、ガス拡散層の機械的な強度を確保することができる。ここで、拡散層基材におけるカーボンファイバーの含有率の範囲は３０％～５０％であることが好ましい（図５の矩形で囲んだ領域参照）。このようにすれば、ガス拡散層の機械的な強度を確保しつつ、燃料電池セルの発電性能の向上を確保することができる。

本実施形態のガス拡散層７によれば、細孔径と厚さとの比率が０．３５以上である拡散層基材７１を備えるので、ガス拡散層７の厚さを確保しつつ、細孔径を大きくすることができる。このため、ガス拡散層７とセパレータ３との接触抵抗の増加を抑制できるとともに、ガス拡散性の低下を防止することができる。加えて、拡散層基材７１における法線透気度と面内透気度との比率が４５（単位：×１０^６ｍ^－２）以上であるので、拡散層基材７１の厚さを厚くしても、燃料電池セル１の発電性能を向上させることができる。更に、カーボンファイバーの含有率が３０％以上であるので、拡散層基材７１の強度、言い換えればガス拡散層７の強度を確保することができる。

また、導電性炭素繊維にカーボンファイバーを用いることにより、カーボンファイバーの優れた機械的な特性（例えば比強度、比弾性率）及び導電性を利用することで、拡散層基材７１の強度を高めつつ、セパレータ３との接触抵抗の増加を更に抑制することができる。

以上、本発明の実施形態について詳述したが、本発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の精神を逸脱しない範囲で、種々の設計変更を行うことができるものである。

１ 燃料電池セル
２ ＭＥＧＡ（膜電極ガス拡散層接合体）
３ セパレータ
４ ＭＥＡ（膜電極接合体）
６ 電極
７ ガス拡散層
７１ 拡散層基材
７２ 撥水層

Claims (3)

1. 溝状の流体流路を有するセパレータと接するように配置されるガス拡散層であって、
   細孔径と厚さとの比率が０．３５以上である拡散層基材を備え、
   前記拡散層基材における法線透気度と面内透気度との比率は４５×１０ ^６ ｍ ^－２ 以上であることを特徴とするガス拡散層。
2. 前記拡散層基材は、導電性炭素繊維を有し、
   前記導電性炭素繊維の含有率が３０％以上である請求項１に記載のガス拡散層。
3. 前記導電性炭素繊維は、カーボンファイバーである請求項２に記載のガス拡散層。

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