JP7272314B2 - 燃料電池用の積層体 - Google Patents
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Description
H2 → 2H+ + 2e- ・・・(1)
2H+ + 1/2O2 + 2e- → H2O ・・・(2)
H2 + 1/2O2 → H2O ・・・(3)
前記電解質膜の膜厚は、10μm以下であり、
前記ガス拡散層は、前記電解質膜側から、マイクロポーラス層、及び多孔質基材層が、この順に積層されており、
前記多孔質基材層の前記マイクロポーラス層側の表面における細孔径が、70~100μmであり、
前記多孔質基材層の密度が、300mg/cm3以上であり、かつ、
前記マイクロポーラス層の厚みが、20μm以上である、
燃料電池用の積層体。
《燃料電池用の積層体》
本発明の燃料電池用の積層体は、燃料電池セルを構成する積層体の少なくとも一部であり、ガス拡散層と、電解質膜と、を必須の構成要素として備える。そして、ガス拡散層は、電解質膜側から、マイクロポーラス層、及び多孔質基材層が、この順に積層された構成を有する。
電解質膜は、本発明の燃料電池用の積層体において、必須の構成層である。電解質膜は、電子及びガスの流通を阻止するとともに、アノードで発生したプロトン(H+)を、アノード側触媒層からカソード側触媒層に移動させる機能を有する。
ガス拡散層は、本発明の燃料電池用の積層体において、必須の構成層である。ガス拡散層は、供給される反応ガスを拡散させて均一にし、隣接する触媒層にガスを行き渡らせる機能を有する。
ガス拡散層における多孔質基材層は、隣接する触媒層に、反応ガスを供給する多孔質の層である。多孔質基材層は、ガス透過性を有するとともに、導電性を有する材料で構成されることが好ましい。
ガス拡散層におけるマイクロポーラス層は、多孔質基材層の上に存在し、触媒層と隣接する層である。燃料電池用の積層体を構成するガス拡散層にMPLが形成されることにより、燃料電池セルにおけるガス拡散性が向上する。
本発明の燃料電池用の積層体において、その他の層として含まれる触媒層としては、特に限定されるものではなく、燃料電池セルを構成する積層体に用いられる公知の触媒層を適用することができる。
実験例1においては、ガス拡散層における、多孔質基材層の密度とマイクロポーラス層(MPL)の厚みは固定し、多孔質基材層のマイクロポーラス層(MPL)側の表面における細孔径を変化させて、8つの燃料電池を作製した。得られた8つの燃料電池について、クロスリーク耐久性及び初期出力を評価した。
(ガス拡散層の作製)
多孔質基材として、厚みが160μm、密度が370mg/cm3であり、表面の細孔径が異なる8種類のカーボンペーパーを2枚ずつ準備した。
上記で得られたガス拡散層のうち、多孔質基材層のマイクロポーラス層側表面の細孔径が同じ大きさの1組を、アノード側及びカソード側のガス拡散層として用いて、アノード側ガス拡散層/アノード側触媒層/電解質膜/カソード側触媒層/カソード側ガス拡散層が、この順に積層された積層体を構成し、一対のセパレータで挟み込むことで、多孔質基材層のマイクロポーラス層(MPL)側の表面における細孔径が互いに異なる、8種類の燃料電池を作製した。
(初期出力)
作製した8種類の燃料電池について、初期出力の評価を実施した。初期出力は、作製した燃料電池に反応ガスを流して電流を掃引したときの、最大出力点における出力とした。結果を、図2に示す。
作製した8種類の燃料電池について、クロスリーク耐久性を評価した。評価にあたっては、燃料電池のオンオフの繰り返しを模擬する耐久操作を実施し、その後に評価を行った。得られた結果を、多孔質基材層のマイクロポーラス層(MPL)側の表面における細孔径が60μmの場合を基準とした相対値として、図2に示す。
図2は、多孔質基材層のマイクロポーラス層側の表面における細孔径と、初期出力及びクロスリーク耐久性との関係を示す図である。グラフの横軸は、多孔質基材層のマイクロポーラス層側の表面における細孔径(μm)であり、グラフの縦第1軸は、得られた燃料電池のクロスリーク耐久性であり、グラフの縦第2軸は、得られた燃料電池の初期出力を示す。
実験例2においては、ガス拡散層における、多孔質基材層のマイクロポーラス層(MPL)側の表面における細孔径とマイクロポーラス層(MPL)の厚みは固定し、多孔質基材層の密度を変化させて、6つの燃料電池を作製した。得られた6つの燃料電池について、クロスリーク耐久性を評価した。
(ガス拡散層の作製)
多孔質基材として、厚みが160μm、表面の細孔径が90μmであり、密度が異なる6種類のカーボンペーパーを2枚ずつ準備した。
上記で得られたガス拡散層のうち、多孔質基材層の密度が同じ1組を、アノード側及びカソード側のガス拡散層として用いて、実験例1と同様の方法で、多孔質基材層の密度が互いに異なる、6種類の燃料電池を作製した。用いた電解質膜の厚みは、9μmであった。
(クロスリーク耐久性)
作製した6種類の燃料電池について、実験例1と同様の方法で、クロスリーク耐久性を評価した。得られた結果を、多孔質基材層の密度が300mg/cm3の場合を基準とした相対値として、図3に示す。
図3は、多孔質基材層の密度とクロスリーク耐久性との関係を示す図である。グラフの横軸は、多孔質基材層の密度(mg/cm3)であり、グラフの縦軸は、得られた燃料電池のクロスリーク耐久性を示す。
実験例3においては、ガス拡散層における、多孔質基材層のマイクロポーラス層(MPL)側の表面における細孔径と多孔質基材層の密度は固定し、マイクロポーラス層(MPL)の厚みを変化させて、8つの燃料電池を作製した。得られた8つの燃料電池について、クロスリーク耐久性を評価した。
(ガス拡散層の作製)
多孔質基材として、厚みが145μm、表面の細孔径が90μm、密度が370mg/cm3であるカーボンペーパーを、16枚準備した。
上記で得られたガス拡散層のうち、マイクロポーラス層(MPL)の厚みが同じ1組を、アノード側及びカソード側のガス拡散層として用いて、実験例1と同様の方法で、マイクロポーラス層(MPL)の厚みが異なる、8種類の燃料電池を作製した。用いた電解質膜の厚みは、9μmであった。
<電池の評価>
(クロスリーク耐久性)
作製した8種類の燃料電池について、実験例1と同様の方法で、クロスリーク耐久性を評価した。得られた結果を、マイクロポーラス層(MPL)の厚みが20μmの場合を基準とした相対値として、図4に示す。
図4は、マイクロポーラス層の厚みとクロスリーク耐久性との関係を示す図である。グラフの横軸は、マイクロポーラス層の厚み(μm)であり、グラフの縦軸は、得られた燃料電池セルのクロスリーク耐久性を示す。
10 アノード側ガス拡散層
11 アノード側多孔質基材層
12 アノード側マイクロポーラス層
15 アノード側触媒層
20 カソード側ガス拡散層
21 カソード側多孔質基材層
22 カソード側マイクロポーラス層
25 カソード側触媒層
30 電解質膜
A アノード側多孔質基材層のマイクロポーラス層側の表面
B カソード側多孔質基材層のマイクロポーラス層側の表面
Claims (1)
- ガス拡散層と、電解質膜と、を備える燃料電池用の積層体であって、
前記電解質膜の膜厚は、10μm以下であり、
前記ガス拡散層は、前記電解質膜側から、マイクロポーラス層、及び多孔質基材層が、この順に積層されており、
前記多孔質基材層の前記マイクロポーラス層側の表面における細孔径が、70~100μmであり、
前記多孔質基材層の密度が、300mg/cm3以上であり、かつ、
前記マイクロポーラス層の厚みが、20μm以上である、
燃料電池用の積層体。
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JP2020081192A JP7272314B2 (ja) | 2020-05-01 | 2020-05-01 | 燃料電池用の積層体 |
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP2020081192A JP7272314B2 (ja) | 2020-05-01 | 2020-05-01 | 燃料電池用の積層体 |
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JP2021176125A JP2021176125A (ja) | 2021-11-04 |
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JP2013152927A (ja) | 2011-12-26 | 2013-08-08 | Toray Ind Inc | 燃料電池ガス拡散層、膜電極接合体、および燃料電池 |
JP2018156818A (ja) | 2017-03-17 | 2018-10-04 | 東レ株式会社 | ガス拡散電極、および、燃料電池 |
JP2018160447A (ja) | 2017-03-22 | 2018-10-11 | 株式会社東芝 | 膜電極接合体、電気化学セル、スタック、燃料電池及び車両 |
JP2020057516A (ja) | 2018-10-02 | 2020-04-09 | 日産自動車株式会社 | 電極層ならびに当該電極層を用いた膜電極接合体および燃料電池 |
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2020
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