JP7287347B2 - 燃料電池用の積層体 - Google Patents
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Description
H2 → 2H+ + 2e- ・・・(a)
2H+ + 1/2O2 + 2e- → H2O ・・・(b)
H2 + 1/2O2 → H2O ・・・(c)
前記アノード側ガス拡散層は、前記電解質膜側から、アノード側マイクロポーラス層、及びアノード側拡散層基材層が、この順に積層されており、
前記カソード側ガス拡散層は、前記電解質膜側から、カソード側マイクロポーラス層、及びカソード側拡散層基材層が、この順に積層されており、
前記アノード側マイクロポーラス層、及び前記カソード側マイクロポーラス層は、ポリテトラフルオロエチレンと、セリウム含有化合物と、を含み、
前記アノード側拡散層基材層、及び前記カソード側拡散層基材層は、ポリテトラフルオロエチレンを含み、
前記アノード側ガス拡散層における前記ポリテトラフルオロエチレンの目付をG1、前記カソード側ガス拡散層における前記ポリテトラフルオロエチレンの目付をG2としたときに、下記式(1)、及び下記式(2)を満足する、
燃料電池用の積層体。
2×G1≦G2 ・・・(1)
G1+G2≧3mg/cm2 ・・・(2)
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、アノード側ガス拡散層、電解質膜、カソード側ガス拡散層が、この順に積層されている、積層体である。そして、アノード側及びカソード側それぞれのガス拡散層は、電解質膜側から、マイクロポーラス層、及び拡散層基材層が、この順に積層されている。
本発明の燃料電池用の積層体において、アノード側のガス拡散層、及びカソード側のガス拡散層は、必須の構成層である。そして、本発明においては、これらの間に、電解質膜が存在している。
ガス拡散層における拡散層基材層は、燃料電池の単セルとした場合に、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。拡散層基材層は、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、拡散層基材層の上に存在し、電解質膜側に配置される層となる。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は、アノード側ガス拡散層におけるポリテトラフルオロエチレンの目付と、カソード側ガス拡散層におけるポリテトラフルオロエチレンの目付とが、特定の関係を有する。
2×G1≦G2 ・・・(1)
G1+G2≧3mg/cm2 ・・・(2)
3×G1≦G2 ・・・(1a)
4×G1≦G2 ・・・(1b)
6×G1≧G2 ・・・(1c)
5×G1≧G2 ・・・(1d)
G1+G2≧4mg/cm2 ・・・(2a)
G1+G2≧5mg/cm2 ・・・(2b)
G1+G2≦7mg/cm2 ・・・(2c)
G1+G2≦6mg/cm2 ・・・(2d)
電解質膜は、本発明の燃料電池用の積層体において、必須の構成層であり、アノード側ガス拡散層とカソード側ガス拡散層との間に配置される。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。
本発明の燃料電池用の積層体は、アノード側ガス拡散層、電解質膜、カソード側ガス拡散層を、必須の構成要素としていれば、その他の層が存在していてもよい。その他の層としては、例えば、セパレーターや触媒層等が挙げられるが、これらに限定されるものではない。
本発明の燃料電池用の積層体の任意の層となる触媒層は、特に限定されるものではなく、公知の触媒層を適用することができる。
アノード側ガス拡散層におけるポリテトラフルオロエチレンの目付(G1)と、カソード側ガス拡散層におけるポリテトラフルオロエチレンの目付(G2)とを変化させて、25種類の燃料電池を作製した。得られた25の燃料電池について、初期出力と、温度変化耐久後出力とを評価した。
(カソード側ガス拡散層の作製)
炭素粒子と、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)と、酸化セリウム(CeO2)と、を含むカソード側マイクロポーラス層(MPL)形成用スラリーを準備した。
多孔質基材として、多孔質体を形成している網の中にポリテトラフルオロエチレンが付着している形態の、25枚のカーボンペーパーを準備した。炭素粒子と、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)と、酸化セリウム(CeO2)と、を含むマイクロポーラス層(MPL)形成用スラリーを準備し、ダイコータによってカーボンペーパーに塗工し、乾燥の後に焼成することで、多孔質基材層にマイクロポーラス層(MPL)が積層されたアノード側ガス拡散層を25枚作製した。
上記で得られたカソード側ガス拡散層及びアノード側ガス拡散層をそれぞれ1枚ずつ用いて、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、アノード側ガス拡散層におけるポリテトラフルオロエチレンの目付(G1)と、カソード側ガス拡散層におけるポリテトラフルオロエチレンの目付(G2)とがそれぞれ異なる、25種類の燃料電池を作製した。
(初期出力)
作製した25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で評価した。
作製した25種類の燃料電池について、温度変化耐久後出力の評価を実施した。温度変化耐久試験としては、一定の低電流密度で電流を掃引しながら、使用年数を想定した回数、温度の上げ下げを繰り返す操作を実施した。耐久試験後、上記の初期出力と同様にして、最大出力点における出力を評価した。
図2は、アノード側ガス拡散層におけるポリテトラフルオロエチレンの目付に対するカソード側ガス拡散層におけるポリテトラフルオロエチレンの目付の比と、温度変化耐久後出力との関係を示す図である。グラフの横軸は、アノード側ガス拡散層におけるポリテトラフルオロエチレンの目付(G1)に対するカソード側ガス拡散層におけるポリテトラフルオロエチレンの目付(G2)の比であり、グラフの縦軸は、得られた燃料電池の耐久後出力(%)を示す。
10 アノード側ガス拡散層
11 アノード側拡散層基材層
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 カソード側拡散層基材層
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
Claims (1)
- アノード側ガス拡散層、電解質膜、カソード側ガス拡散層が、この順に積層されているる燃料電池用の積層体であって、
前記アノード側ガス拡散層は、前記電解質膜側から、アノード側マイクロポーラス層、及びアノード側拡散層基材層が、この順に積層されており、
前記カソード側ガス拡散層は、前記電解質膜側から、カソード側マイクロポーラス層、及びカソード側拡散層基材層が、この順に積層されており、
前記アノード側マイクロポーラス層、及び前記カソード側マイクロポーラス層は、ポリテトラフルオロエチレンと、セリウム含有化合物と、を含み、
前記アノード側拡散層基材層、及び前記カソード側拡散層基材層は、ポリテトラフルオロエチレンを含み、
前記アノード側ガス拡散層における前記ポリテトラフルオロエチレンの目付をG1、前記カソード側ガス拡散層における前記ポリテトラフルオロエチレンの目付をG2としたときに、下記式(1)、及び下記式(2)を満足する、
燃料電池用の積層体。
2×G1≦G2 ・・・(1)
G1+G2≧3mg/cm2 ・・・(2)
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