JP2018133271A - Gas diffusion layer for fuel cell, method for producing the same, and fuel cell - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料電池におけるガス拡散挙動のシミュレーション結果を利用して設計されたガス拡散層およびその製造方法、並びに燃料電池に関する。 The present invention relates to a gas diffusion layer designed using a simulation result of gas diffusion behavior in a fuel cell, a manufacturing method thereof, and a fuel cell.
燃料電池のセルは、電解質膜および一対のガス拡散電極(アノード及びカソード)から構成される膜電極接合体(Membrane Electrode Assembly:MEA)と、ガスケットと、アノードに接触する導電性のアノードセパレータと、カソードに接触する導電性のカソードセパレータとを具備する。ガス拡散電極は、電解質膜側に配置される触媒層と、触媒層の電解質膜とは反対側に配置されるガス拡散層とで構成されている。 A fuel cell includes a membrane electrode assembly (MEA) composed of an electrolyte membrane and a pair of gas diffusion electrodes (anode and cathode), a gasket, a conductive anode separator in contact with the anode, And a conductive cathode separator in contact with the cathode. The gas diffusion electrode includes a catalyst layer disposed on the electrolyte membrane side and a gas diffusion layer disposed on the opposite side of the catalyst layer from the electrolyte membrane.
特許文献1は、導電性基材に撥水層を形成したガス拡散層を開示している。導電性基材には、カーボン繊維織布またはカーボンペーパーが用いられている。撥水層は、カーボンブラックなどの材料とフッ素樹脂とで構成されている。
一方、特許文献2〜4は、導電性基材を有さないガス拡散層を開示している。例えば、特許文献2のガス拡散層は、導電性粒子と高分子樹脂とを主成分とし、高分子樹脂よりも少量の炭素繊維を含む。
On the other hand,
ガス拡散層のガス拡散性を高めるには、ガス拡散層ができるだけ多孔質であり、かつ必要な機械的強度を維持できることが望ましい。そこで、ガス拡散層の空隙率や細孔径分布を制御する様々な技術の開発が進められている。しかし、細孔の制御によってガス拡散層のガス拡散性を高めるのには限界がある。 In order to increase the gas diffusibility of the gas diffusion layer, it is desirable that the gas diffusion layer be as porous as possible and maintain the required mechanical strength. Therefore, various techniques for controlling the porosity and pore size distribution of the gas diffusion layer are being developed. However, there is a limit to increasing the gas diffusibility of the gas diffusion layer by controlling the pores.
上記に鑑み、本発明の一側面は、燃料電池用ガス拡散層であって、前記ガス拡散層の平均厚さが150μm以下であり、前記ガス拡散層の厚さ方向における酸素の拡散係数Dtが、1.2×10-3cm2/sec以上、6×10-2cm2/sec以下である、ガス拡散層に関する。 In view of the above, one aspect of the present invention is a gas diffusion layer for a fuel cell, wherein the average thickness of the gas diffusion layer is 150 μm or less, and an oxygen diffusion coefficient Dt in the thickness direction of the gas diffusion layer is 1.2 × 10 −3 cm 2 / sec or more and 6 × 10 −2 cm 2 / sec or less.
本発明の別の側面は、燃料電池用ガス拡散層であって、前記ガス拡散層の厚さ方向における酸素の拡散係数Dtよりも、前記厚さ方向に垂直な面方向における酸素の拡散係数Dsが大きい、ガス拡散層に関する。 Another aspect of the present invention is a gas diffusion layer for a fuel cell, wherein an oxygen diffusion coefficient Ds in a plane direction perpendicular to the thickness direction is larger than an oxygen diffusion coefficient Dt in the thickness direction of the gas diffusion layer. Relates to the gas diffusion layer.
本発明の更に別の側面は、燃料電池用ガス拡散層であって、前記ガス拡散層は、導電性材料と高分子樹脂とを含み、前記導電性材料は、粒子状材料と板状材料とを含み、前記板状材料の長軸が、前記ガス拡散層の厚さ方向と成す鋭角の角度が、60°以上、90°以下である、ガス拡散層に関する。 Still another aspect of the present invention is a gas diffusion layer for a fuel cell, wherein the gas diffusion layer includes a conductive material and a polymer resin, and the conductive material includes a particulate material and a plate-like material. And an acute angle formed between the major axis of the plate material and the thickness direction of the gas diffusion layer is 60 ° or more and 90 ° or less.
本発明の更に別の側面は、電解質膜と、前記電解質膜の両方の主面にそれぞれ配置された触媒層と、前記触媒層の前記電解質膜とは反対側に配置された一対のガス拡散層と、を具備し、前記一対のガス拡散層の少なくとも一方が上記のいずれかのガス拡散層である、燃料電池に関する。 Still another aspect of the present invention is an electrolyte membrane, a catalyst layer disposed on each of the principal surfaces of the electrolyte membrane, and a pair of gas diffusion layers disposed on the opposite side of the catalyst layer from the electrolyte membrane. And at least one of the pair of gas diffusion layers is any one of the gas diffusion layers described above.
本発明の更に別の側面は、(i)導電性材料と、高分子樹脂と、界面活性剤と、分散媒との混合物を調製する工程と、(ii)前記混合物をシートに成形する工程と、(iii)前記シートを焼成して、前記界面活性剤および前記分散媒が除去された焼成シートを得る工程と、(iv)前記焼成シートを、その平均厚さが150μm以下であり、厚さ方向における酸素の拡散係数Dtが、1.2×10-3cm2/sec以上、6×10-2cm2/sec以下になるように圧延する工程と、を備える、燃料電池用ガス拡散層の製造方法に関する。 Still another aspect of the present invention includes (i) a step of preparing a mixture of a conductive material, a polymer resin, a surfactant, and a dispersion medium, and (ii) a step of forming the mixture into a sheet. (Iii) firing the sheet to obtain a fired sheet from which the surfactant and the dispersion medium have been removed, and (iv) an average thickness of the fired sheet is 150 μm or less, and the thickness A gas diffusion layer for a fuel cell, comprising: a step of rolling so that an oxygen diffusion coefficient Dt in a direction is 1.2 × 10 −3 cm 2 / sec or more and 6 × 10 −2 cm 2 / sec or less It relates to the manufacturing method.
本発明によれば、燃料電池の発電性能を向上させることができる。 According to the present invention, the power generation performance of a fuel cell can be improved.
まず、燃料電池の構造について説明する。本発明の実施形態に係る燃料電池は、電解質膜と、電解質膜の一方の主面に接触するカソードと、電解質膜の他方の主面に接触するアノードと、を有する膜電極接合体(以下、MEA)と、カソードと接触する導電性のカソードセパレータと、アノードと接触する導電性のアノードセパレータとを備える。MEAと一対のセパレータは、1つのセルを構成している。通常、カソードセパレータとアノードセパレータとが隣接するように複数セルを積層することで、セル同士が直列接続されたスタックが形成される。 First, the structure of the fuel cell will be described. A fuel cell according to an embodiment of the present invention includes a membrane electrode assembly (hereinafter referred to as an electrolyte membrane), a cathode in contact with one main surface of the electrolyte membrane, and an anode in contact with the other main surface of the electrolyte membrane. MEA), a conductive cathode separator in contact with the cathode, and a conductive anode separator in contact with the anode. The MEA and the pair of separators constitute one cell. Usually, a stack in which cells are connected in series is formed by stacking a plurality of cells so that the cathode separator and the anode separator are adjacent to each other.
具体的には、図1に示すように、セル1は、アノード2、カソード3およびアノード2とカソード3との間に介在する電解質膜4を含む膜電極接合体(MEA)5を有する。MEA5は、アノードセパレータ10およびカソードセパレータ11に挟持されている。アノード2は、電解質膜4に接するアノード触媒層6およびアノードセパレータ10に接するアノードガス拡散層7を含む。カソード3は、電解質膜4に接するカソード触媒層8およびカソードセパレータ11に接するカソードガス拡散層9を含む。MEA5の一方の側面には、アノード2を封止するようにガスケット14が配置され、他方の側面には、カソード3を封止するようにガスケット15が配置されている。
Specifically, as shown in FIG. 1, the
アノードセパレータ10は、アノード2に燃料を供給する燃料流路12を有する。カソードセパレータ11は、カソード3に酸化剤を供給する酸化剤流路13を有する。図1のようなセルの複数を電気的に直列に積層することで、スタックが構成される。スタックでは、一枚のセパレータの一方の面側をアノードセパレータ、他方の面側をカソードセパレータとしてもよい。また、一枚のセパレータの一方の面側をアノードセパレータまたはカソードセパレータとし、他方の面側を冷却媒体流路に利用してもよい。セルもしくはスタックの外側に、それぞれ集電板16,17を配してもよく、端板18,19を配して、端板同士を締結して燃料電池を固定してもよい。
The
なお、図示例では、燃料流路12は、アノードセパレータ10の主面に形成され、酸化剤流路13は、カソードセパレータ11の主面に形成されているが、燃料流路はアノードガス拡散層の主面に形成してもよく、酸化剤流路はカソードガス拡散層の主面に形成してもよい。
In the illustrated example, the
電解質膜4は、プロトン導電性を有すればよく、特に限定されないが、高分子電解質膜が好ましく、中でもパーフルオロカーボンスルホン酸の構造を含む重合体が好ましい。
The
アノード触媒層6およびカソード触媒層8は、それぞれ触媒粒子と、プロトン伝導性を有する高分子電解質とを含む。触媒粒子は、炭素材料に担持されていることが好ましい。触媒粒子には、白金などの貴金属が好ましく用いられる。炭素材料には、カーボンブラックのような比表面積の大きい炭素材料が好ましく用いられる。
The
燃料電池内を流通する燃料ガス(水素)および酸化剤ガス(例えば空気、酸素)の拡散に関する挙動は、計算ソフトを用いてシミュレーションすることができる。上記シミュレーションでは、フィックの拡散方程式の差分法による数値解析が行われる。数値解析では、平衡状態の触媒層における酸化剤ガスおよびプロトンの濃度が求められる。このとき、各ガスの所定箇所における濃度、拡散係数、飽和濃度がパラメータとして用いられる。酸化剤ガスとして空気を用いる場合、ガス拡散層における空気の飽和濃度は、ガス拡散層に最大限含まれる空気量(mL/cm3・atm)であり、ガス拡散層の空隙率(mL/cm3)を飽和濃度として用いてよい。 The behavior related to the diffusion of the fuel gas (hydrogen) and the oxidant gas (for example, air, oxygen) flowing through the fuel cell can be simulated using calculation software. In the simulation, numerical analysis is performed by the difference method of Fick's diffusion equation. In the numerical analysis, the oxidant gas and proton concentrations in the catalyst layer in an equilibrium state are obtained. At this time, the concentration, diffusion coefficient, and saturation concentration of each gas at a predetermined location are used as parameters. When air is used as the oxidant gas, the saturation concentration of air in the gas diffusion layer is the maximum amount of air (mL / cm 3 · atm) contained in the gas diffusion layer, and the porosity of the gas diffusion layer (mL / cm 3 ) may be used as the saturation concentration.
燃料ガスおよび酸化剤ガスは、触媒粒子を覆う高分子電解質の膜を拡散し、触媒粒子の表面で反応する。このときの各ガスの挙動は、触媒層における酸化剤ガスおよびプロトンの濃度に依存する。高分子電解質における酸化剤ガスおよびプロトンの拡散係数と飽和濃度を用いて、触媒粒子の表面における反応化学種の濃度が計算され、吸着平衡を伴う反応速度式から反応速度が求められ、限界電流密度が計算される。各反応化学種の量論的取り扱いには化学工学の物質収支の考え方が適用される。触媒粒子の表面における反応化学種の濃度および触媒粒子の表面積から交換電流密度が求められる。限界電流密度と交換電流密度からバトラーボルマーの式により、それぞれ拡散過電圧と反応活性化過電圧とが計算される。ガス拡散層、触媒層、セパレータ等の電子抵抗を元に、抵抗過電圧が計算される。拡散過電圧、反応活性化過電圧および抵抗過電圧の合計から、全体の過電圧が計算され、発電電圧が求められる。 The fuel gas and the oxidant gas diffuse through the polymer electrolyte membrane covering the catalyst particles and react on the surface of the catalyst particles. The behavior of each gas at this time depends on the oxidant gas and proton concentrations in the catalyst layer. Using the diffusion coefficient and saturation concentration of the oxidant gas and proton in the polymer electrolyte, the concentration of reactive species on the surface of the catalyst particles is calculated, the reaction rate is obtained from the reaction rate equation with adsorption equilibrium, and the limiting current density Is calculated. The chemical engineering concept of mass balance is applied to the stoichiometric treatment of each reactive chemical species. The exchange current density is determined from the concentration of reactive chemical species on the surface of the catalyst particles and the surface area of the catalyst particles. From the limiting current density and the exchange current density, a diffusion overvoltage and a reaction activation overvoltage are calculated by the Butler-Volmer equation, respectively. The resistance overvoltage is calculated based on the electronic resistance of the gas diffusion layer, catalyst layer, separator, and the like. The total overvoltage is calculated from the sum of the diffusion overvoltage, reaction activation overvoltage, and resistance overvoltage, and the generated voltage is obtained.
本発明の実施形態に係るガス拡散層は、上記手法で計算ソフトを用いて、ガスが、流体流路、ガス拡散層、触媒層の順に拡散する際の挙動をシミュレーションし、その結果に基づいて設計されたものである。シミュレーション結果によれば、ガス拡散層の厚さが小さいほど、燃料電池のV−I特性は向上する。ガス拡散層の厚さを小さくすることによるV−I特性の向上は、ガス拡散層のガス拡散性を高めることによるV−I特性の向上よりも顕著である。 The gas diffusion layer according to the embodiment of the present invention simulates the behavior when gas diffuses in the order of the fluid flow path, the gas diffusion layer, and the catalyst layer using the calculation software in the above method, and based on the result. It is designed. According to the simulation results, the smaller the thickness of the gas diffusion layer, the better the VI characteristic of the fuel cell. The improvement of the VI characteristic by reducing the thickness of the gas diffusion layer is more remarkable than the improvement of the VI characteristic by increasing the gas diffusibility of the gas diffusion layer.
しかし、ガス拡散層の厚さが所定の臨界値を超えて小さくなると、V−I特性の更なる向上が困難になる。V−I特性の向上が見込まれる臨界値をより小さくするためには、ガス拡散層の更なる改良が必要になる。 However, when the thickness of the gas diffusion layer becomes smaller than a predetermined critical value, it becomes difficult to further improve the VI characteristic. Further reduction of the gas diffusion layer is necessary in order to reduce the critical value that is expected to improve the VI characteristics.
ここで、V−I特性とは、燃料電池が発現する電圧(V)と電流密度(I)との関係性を示す特性であり、一般に縦軸を電圧(V)、横軸を電流密度(I)とするグラフに表される。同じ電圧で得られる電流密度が高くなるほど、V−I特性が優れている。 Here, the VI characteristic is a characteristic indicating the relationship between the voltage (V) developed by the fuel cell and the current density (I). Generally, the vertical axis represents voltage (V) and the horizontal axis represents current density ( I). The higher the current density obtained at the same voltage, the better the VI characteristics.
以上に鑑み、本発明の第1実施形態に係るガス拡散層は、その平均厚さが150μm以下であり、厚さ方向における酸素の拡散係数Dtが1.2×10-3cm2/sec以上、6×10-2cm2/sec以下に制限されている。 In view of the above, the gas diffusion layer according to the first embodiment of the present invention has an average thickness of 150 μm or less, and an oxygen diffusion coefficient Dt in the thickness direction of 1.2 × 10 −3 cm 2 / sec or more. 6 × 10 −2 cm 2 / sec or less.
また、本発明の第2実施形態に係るガス拡散層は、その厚さ方向における酸素の拡散係数Dtよりも、厚さ方向に垂直な面方向における酸素の拡散係数Dsが大きくなっている。 The gas diffusion layer according to the second embodiment of the present invention has an oxygen diffusion coefficient Ds in the plane direction perpendicular to the thickness direction larger than the oxygen diffusion coefficient Dt in the thickness direction.
また、本発明の第3実施形態に係るガス拡散層は、導電性材料と高分子樹脂とを含み、導電性材料が、粒子状材料と板状材料とを含み、板状材料の長軸と、ガス拡散層の厚さ方向とが成す鋭角の角度は、60°以上、90°以下に制御されている。 Moreover, the gas diffusion layer according to the third embodiment of the present invention includes a conductive material and a polymer resin, and the conductive material includes a particulate material and a plate-like material, The acute angle formed by the thickness direction of the gas diffusion layer is controlled to be 60 ° or more and 90 ° or less.
第1〜第3実施形態に係るガス拡散層は、いずれも異なる側面から表現されているが、同様のコンセプトに基づき設計されている。ガス拡散層は多孔質であるため、第1実施形態のようにガス拡散層の平均厚さを150μm以下に制限すると、厚さ方向におけるガスの透過が促進される傾向がある。従って、酸素の拡散係数Dtを小さく、具体的には6×10-2cm2/sec以下に制限することにより、厚さ方向におけるガスの透過を積極的に制限し、面方向におけるガス拡散を促す必要がある。 The gas diffusion layers according to the first to third embodiments are all expressed from different aspects, but are designed based on the same concept. Since the gas diffusion layer is porous, if the average thickness of the gas diffusion layer is limited to 150 μm or less as in the first embodiment, gas permeation in the thickness direction tends to be promoted. Therefore, by limiting the oxygen diffusion coefficient Dt, specifically to 6 × 10 −2 cm 2 / sec or less, the gas permeation in the thickness direction is positively restricted, and the gas diffusion in the surface direction is restricted. There is a need to prompt.
しかし、一般的にガス拡散層の酸素の拡散係数は、厚さ方向と面方向とで同程度になる。これに反して厚さ方向のガス透過を積極的に制限するには、例えば、ガス拡散層を厚さ方向に圧縮して緻密化し、ガス拡散層内に厚さ方向のガス移動に対する障壁を設ける必要がある。その結果、面方向の酸素の拡散係数Dsは厚さ方向の酸素の拡散係数Dtよりも相対的に大きくなる。従って、第2実施形態に係るガス拡散層は、通常、第1実施形態に係るガス拡散層の範疇に包含される。 However, generally, the diffusion coefficient of oxygen in the gas diffusion layer is approximately the same in the thickness direction and in the plane direction. On the other hand, in order to positively limit the gas permeation in the thickness direction, for example, the gas diffusion layer is compressed and densified in the thickness direction, and a barrier against gas movement in the thickness direction is provided in the gas diffusion layer. There is a need. As a result, the oxygen diffusion coefficient Ds in the plane direction is relatively larger than the oxygen diffusion coefficient Dt in the thickness direction. Therefore, the gas diffusion layer according to the second embodiment is normally included in the category of the gas diffusion layer according to the first embodiment.
また、ガス拡散層に板状材料を含ませるとともに、板状材料の長軸と厚さ方向とが成す鋭角の角度を大きくすれば、ガス拡散層内に、厚さ方向におけるガス移動に対する障壁を設けることができ、厚さ方向における酸素の拡散係数Dtよりも、面方向における酸素の拡散係数Dsが大きくなる。すなわち、第3実施形態に係るガス拡散層は、第1および2実施形態に係るガス拡散層の範疇に包含される。 In addition, if the gas diffusion layer includes a plate-like material and the acute angle formed by the major axis of the plate-like material and the thickness direction is increased, a barrier against gas movement in the thickness direction is formed in the gas diffusion layer. The oxygen diffusion coefficient Ds in the plane direction is larger than the oxygen diffusion coefficient Dt in the thickness direction. That is, the gas diffusion layer according to the third embodiment is included in the category of the gas diffusion layer according to the first and second embodiments.
第1〜第3実施形態のいずれにおいても、ガス拡散層は、導電性材料と高分子樹脂とを主成分として構成すればよい。高分子樹脂は、導電性材料100質量部に対して、2〜20質量部が好ましく、5〜12質量部がより好ましい。 In any of the first to third embodiments, the gas diffusion layer may be composed mainly of a conductive material and a polymer resin. The polymer resin is preferably 2 to 20 parts by mass and more preferably 5 to 12 parts by mass with respect to 100 parts by mass of the conductive material.
導電性材料には、粒子状材料と板状材料とを含ませてもよく、更に繊維状材料を含ませてもよい。導電性材料に占める板状材料の割合は、2〜20質量%が好ましく、5〜10質量%がより好ましい。導電性材料に占める繊維状材料の割合は、0〜25質量%が好ましく、5〜20質量%がより好ましい。 The conductive material may contain a particulate material and a plate-like material, and may further contain a fibrous material. 2-20 mass% is preferable and, as for the ratio of the plate-shaped material to an electroconductive material, 5-10 mass% is more preferable. The proportion of the fibrous material in the conductive material is preferably 0 to 25% by mass, and more preferably 5 to 20% by mass.
板状材料は、巨視的に見ると粒子状であるが、微視的に見ると板状粒子で構成されている。板状粒子の最小幅(厚さ)をTとするとき、厚さTの方向と平行な方向から見た板状粒子の最大径(長径)Lと、最大径に直交する最大径(短径)Wとは、L≧Wを満たし、TはWよりも十分小さい。板状材料のアスペクト比:L/Tは、10<L/Tを満たすことが好ましく、20≦L/Tを満たすことがより好ましい。 The plate-like material is particulate when viewed macroscopically, but is composed of plate-like particles when viewed microscopically. When the minimum width (thickness) of the plate-like particles is T, the maximum diameter (major axis) L of the plate-like particles viewed from the direction parallel to the direction of the thickness T and the maximum diameter (minor axis) orthogonal to the maximum diameter ) W satisfies L ≧ W, and T is sufficiently smaller than W. The aspect ratio L / T of the plate material preferably satisfies 10 <L / T, and more preferably satisfies 20 ≦ L / T.
板状材料の具体例としては、鱗片状黒鉛、黒鉛化ポリイミドフィルム粉砕物、グラフェンなどが挙げられる。中でも、黒鉛化ポリイミドフィルム粉砕物やグラフェンは、ガス拡散層の面方向に配向しやすく、ガス拡散層を薄く形成するのに有利であり、かつガス拡散層の厚さ方向におけるガス拡散性Dtを積極的に小さく制限するのに適している。 Specific examples of the plate-like material include flaky graphite, graphitized polyimide film pulverized material, graphene and the like. Among them, pulverized graphitized polyimide film and graphene are easy to be oriented in the plane direction of the gas diffusion layer, advantageous for forming a thin gas diffusion layer, and having a gas diffusivity Dt in the thickness direction of the gas diffusion layer. Suitable for aggressively limiting small.
粒子状材料は、微視的に見ると、球状粒子または不定形粒子で構成されている。ただし球状粒子も、通常は完全に方向性を有さない球体として存在するものではなく、長径と短径とを有している。球状粒子または不定形粒子の最大径(長径)Lと、最大径に直交する最大径(短径)Wとは、L≧Wを満たす。粒子状材料のアスペクト比:L/Wは、1≦L/W≦5を満たすことが好ましく、1≦L/W<2を満たすことがより好ましい。 When viewed microscopically, the particulate material is composed of spherical particles or amorphous particles. However, the spherical particles do not usually exist as spheres having no directivity, and have a major axis and a minor axis. The maximum diameter (major axis) L of spherical particles or irregular particles and the maximum diameter (minor axis) W orthogonal to the maximum diameter satisfy L ≧ W. The aspect ratio of the particulate material: L / W preferably satisfies 1 ≦ L / W ≦ 5, and more preferably satisfies 1 ≦ L / W <2.
粒子状材料としては、カーボンブラック、球状黒鉛、活性炭などが挙げられる。中でも、導電性が高く、細孔容積が大きい点で、カーボンブラックを使用することが好ましい。カーボンブラックとしては、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、ファーネスブラックなどが使用できる。 Examples of the particulate material include carbon black, spherical graphite, activated carbon and the like. Among them, it is preferable to use carbon black in terms of high conductivity and a large pore volume. As carbon black, acetylene black, ketjen black, furnace black and the like can be used.
高分子樹脂は、導電性材料同士を結着するバインダとしての機能を有する。ガス拡散層内の細孔での水の滞留を抑制する観点から、高分子樹脂の50質量%以上、更には90質量%以上が撥水性を有するフッ素樹脂であることが好ましい。フッ素樹脂としては、PTFE(ポリテトラフルオロエチレン)、FEP(テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体)、PVdF(ポリビニリデンフルオライド)、ETFE(テトラフルオロエチレン−エチレン共重合体)、PCTFE(ポリクロロトリフルオロエチレン)、PFA(ポリフルオロエチレン−パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体)などが挙げられる。中でも、耐熱性、撥水性、耐薬品性の観点から、フッ素樹脂はPTFEであることが好ましい。 The polymer resin functions as a binder that binds the conductive materials. From the viewpoint of suppressing the retention of water in the pores in the gas diffusion layer, it is preferable that 50% by mass or more, more preferably 90% by mass or more of the polymer resin is a fluororesin having water repellency. Fluororesin includes PTFE (polytetrafluoroethylene), FEP (tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer), PVdF (polyvinylidene fluoride), ETFE (tetrafluoroethylene-ethylene copolymer), PCTFE (polyethylene). Chlorotrifluoroethylene), PFA (polyfluoroethylene-perfluoroalkyl vinyl ether copolymer) and the like. Among these, from the viewpoint of heat resistance, water repellency, and chemical resistance, the fluororesin is preferably PTFE.
第1〜第3実施形態のいずれにおいても、ガス拡散層の平均厚さは150μm以下が好ましく、100μm以下がより好ましく、80μm以下もしくは50μm以下が更に好ましい。上記のように設計されたガス拡散層は、その平均厚さが大きすぎると、厚さ方向におけるガス拡散の経路長が長くなり、発電性能が向上しにくい傾向がある。ただし、ガス拡散層の平均厚さは30μm以上が好ましい。これにより、厚さ方向および面方向におけるガス拡散の経路長をバランスよく確保しやすい。 In any of the first to third embodiments, the average thickness of the gas diffusion layer is preferably 150 μm or less, more preferably 100 μm or less, and even more preferably 80 μm or less or 50 μm or less. When the average thickness of the gas diffusion layer designed as described above is too large, the gas diffusion path length in the thickness direction becomes long, and the power generation performance tends to be difficult to improve. However, the average thickness of the gas diffusion layer is preferably 30 μm or more. Thereby, it is easy to ensure a balanced path length of gas diffusion in the thickness direction and the surface direction.
ガス拡散層の第1主面およびその反対側の第2主面が、切削やプレス加工による凹凸を有さず、目視で平坦である場合、ガス拡散層の平均厚さは、例えば任意の10箇所でガス拡散層の厚さを測定し、その平均値としてガス拡散層の厚さが求められる。一方、ガス拡散層が凹凸のパターンを有する場合には、ガス拡散層の最大厚さおよび最小厚さを求め、その面積割合を乗じて加算すればよい。ガス拡散層の最大厚さは、例えば凸部の任意の10箇所の最も厚い部分の厚さの平均値として求められ、ガス拡散層の最小厚さは、例えば凹部の任意の10箇所の最も薄い部分の厚さの平均値として求められる。ガス拡散層の厚さが150μm以下、更には100μm以下である場合には、ガス拡散層の2つの主面は、上記のような凹凸を有さず、目視では平坦であることが好ましい。 When the first main surface of the gas diffusion layer and the second main surface opposite to the first main surface do not have irregularities due to cutting or pressing and are flat visually, the average thickness of the gas diffusion layer is, for example, an arbitrary 10 The thickness of the gas diffusion layer is measured at a location, and the thickness of the gas diffusion layer is obtained as an average value. On the other hand, when the gas diffusion layer has an uneven pattern, the maximum thickness and the minimum thickness of the gas diffusion layer may be obtained and multiplied by the area ratio. The maximum thickness of the gas diffusion layer is obtained, for example, as an average value of the thicknesses of the tenth thickest portions of the convex portions, and the minimum thickness of the gas diffusion layer is the thinnest of the arbitrary ten portions of the concave portions, for example. It is obtained as an average value of the thickness of the part. When the thickness of the gas diffusion layer is 150 μm or less, and further 100 μm or less, it is preferable that the two main surfaces of the gas diffusion layer have no irregularities as described above and are flat visually.
ガス拡散層の第1主面側または第2主面側には、流体流路を形成してもよい。これにより、セパレータに流体流路を形成する必要がなくなり、燃料電池の製造コストを低減しやすくなる。また、流体流路を流れるガスとガス拡散層との接触面積が大きくなり、触媒層により均一にガスを供給しやすくなる。流体流路を有するガス拡散層は、流体流路を形成する溝と溝間のリブとを有する。溝は凹部に対応し、リブは凸部に対応する。 A fluid flow path may be formed on the first main surface side or the second main surface side of the gas diffusion layer. Thereby, it is not necessary to form a fluid flow path in the separator, and the manufacturing cost of the fuel cell can be easily reduced. In addition, the contact area between the gas flowing in the fluid flow path and the gas diffusion layer is increased, and the gas is easily supplied uniformly by the catalyst layer. The gas diffusion layer having a fluid flow path has a groove that forms the fluid flow path and a rib between the grooves. The groove corresponds to the concave portion, and the rib corresponds to the convex portion.
ガス拡散層の厚さ方向における酸素の拡散係数Dtは、1.2×10-3cm2/sec以上であればよく、酸素の拡散係数Dtは、6×10-2cm2/sec以下に制限され、1.2×10-2cm2/sec以下が好ましい。 The oxygen diffusion coefficient Dt in the thickness direction of the gas diffusion layer may be 1.2 × 10 −3 cm 2 / sec or more, and the oxygen diffusion coefficient Dt is 6 × 10 −2 cm 2 / sec or less. It is limited and is preferably 1.2 × 10 −2 cm 2 / sec or less.
<酸素の拡散係数の測定>
酸素の拡散係数Dtは、以下の方法で測定することができる。既に組み立てられた燃料電池を分解してガス拡散層を取り出す場合には、ガス拡散層を純水などで洗浄して触媒層を除去してから酸素の拡散係数Dtを測定すればよい。
<Measurement of oxygen diffusion coefficient>
The oxygen diffusion coefficient Dt can be measured by the following method. When disassembling an already assembled fuel cell and taking out the gas diffusion layer, the oxygen diffusion coefficient Dt may be measured after the gas diffusion layer is washed with pure water to remove the catalyst layer.
ガス拡散係数は、ガス拡散層の表裏に圧力差を設け、単位時間に透過するガス量を測定して得られる透過係数、透過面積、ガス拡散層の厚さ、飽和濃度から求めることができる。ただし、ガス拡散層は、相当に多孔質であるので、分子拡散領域に近く、ガス透過係数の測定装置を用いて拡散係数を求めるのは難しい。そのため、JIS P8117:2009に準拠して決定されるガーレーの透気度を測定し、これに基づいて拡散係数を求める。ガーレーの透気度は、100mLの空気が透過するのに要する時間である。ガーレーの透気度、ガス拡散層の厚さ、上記JIS規格に基づく透過面積と錘によりガス供給側に印加される圧力を用いて、透過係数を求めることができる。透過係数とガス拡散層の空隙率(すなわち飽和濃度)から拡散係数を求めることができる。具体的には、計算式:拡散係数=透過係数/飽和濃度により拡散係数を求めることができる。 The gas diffusion coefficient can be obtained from a transmission coefficient obtained by measuring a gas amount per unit time by providing a pressure difference between the front and back of the gas diffusion layer, a transmission area, a thickness of the gas diffusion layer, and a saturation concentration. However, since the gas diffusion layer is quite porous, it is close to the molecular diffusion region and it is difficult to obtain the diffusion coefficient using a gas permeability coefficient measuring device. Therefore, the air permeability of Gurley determined based on JIS P8117: 2009 is measured, and the diffusion coefficient is obtained based on this. The air permeability of Gurley is the time required for 100 mL of air to permeate. The permeability coefficient can be obtained by using the pressure applied to the gas supply side by the permeability of Gurley, the thickness of the gas diffusion layer, the permeation area based on the JIS standard and the weight. The diffusion coefficient can be obtained from the permeability coefficient and the porosity of the gas diffusion layer (that is, the saturation concentration). Specifically, the diffusion coefficient can be obtained from the calculation formula: diffusion coefficient = transmission coefficient / saturation concentration.
ガス拡散層の面方向における酸素の拡散係数Dsは、例えば、一枚のガス拡散層を切断して複数枚の小片に分割し、小片を隙間なく重ねて断面を揃えて固定し、当該断面に対して垂直方向にガスを拡散させて測定すればよい。 The oxygen diffusion coefficient Ds in the plane direction of the gas diffusion layer is determined by, for example, cutting one gas diffusion layer and dividing it into a plurality of small pieces. On the other hand, the measurement may be performed by diffusing gas in the vertical direction.
酸素の拡散係数Dtおよび酸素の拡散係数Dsは、Dt<Dsを満たせばよいが、酸素の拡散係数比:Ds/Dtは、2≦Ds/Dtが好ましく、3≦Ds/Dtがより好ましい。Ds/Dtを過度に大きくすることは困難であるため、Ds/Dtの上限値は5程度である。 The oxygen diffusion coefficient Dt and the oxygen diffusion coefficient Ds may satisfy Dt <Ds, but the oxygen diffusion coefficient ratio: Ds / Dt is preferably 2 ≦ Ds / Dt, and more preferably 3 ≦ Ds / Dt. Since it is difficult to increase Ds / Dt excessively, the upper limit of Ds / Dt is about 5.
板状材料の長軸が、ガス拡散層の厚さTの方向と成す鋭角の角度θは、60°以上であればよいが、80°以上が好ましく、88〜90°が最も好ましい。角度θは、ガス拡散層の断面写真を撮影し、画像上で任意に10個の板状材料を選択し、それらの長軸が厚さTの方向と成す鋭角の平均値として求めればよい。 The acute angle θ formed by the long axis of the plate material and the direction of the thickness T of the gas diffusion layer may be 60 ° or more, but is preferably 80 ° or more, and most preferably 88 to 90 °. The angle θ may be obtained as an average value of acute angles formed by taking a cross-sectional photograph of the gas diffusion layer, arbitrarily selecting 10 plate-like materials on the image, and having their long axes formed in the direction of the thickness T.
図2に、板状材料を含むガス拡散層の断面を模式的に示す。断面写真には、板状材料を構成する板状粒子20が複数観測される。その中から任意に10個の板状粒子20を選択し、それぞれの板状粒子20について長軸の両側の端部20tを結ぶ直線(長軸線)を描けば、長軸線と厚さTの方向とが成す鋭角の角度θを求めることができる。
FIG. 2 schematically shows a cross section of a gas diffusion layer containing a plate-like material. A plurality of plate-
板状材料の長軸Lの大きさは、1〜500μmが好ましく、5〜30μmがより好ましい。長軸Lの大きさは、ガス拡散層の断面写真を撮影し、任意に100個の板状材料を選択し、それらの長軸Lの大きさの平均値として求めればよい。 1-500 micrometers is preferable and, as for the magnitude | size of the major axis L of plate-shaped material, 5-30 micrometers is more preferable. The size of the long axis L may be obtained as an average value of the sizes of the long axes L by taking a cross-sectional photograph of the gas diffusion layer, arbitrarily selecting 100 plate-like materials.
<ガス拡散層の製造方法>
工程(i)
まず、導電性材料と、高分子樹脂と、界面活性剤と、分散媒とを含む混合物を調製する。混合装置には、混練機もしくはミキサーを用いればよい。このとき、混合装置に、導電性材料、界面活性剤および分散媒を投入して導電性材料を分散媒に均一に分散させた後、高分子樹脂を添加して更に分散させることが好ましい。高分子樹脂には、適度なせん断力を付与して、高分子樹脂をフィブリル化させることが好ましい。分散媒としては、例えば、水、アルコール、グリコール類が挙げられる。界面活性剤としては、例えばポリオキシエチレンアルキルエーテル、アルキルアミンオキシドなどが挙げられる。
<Method for producing gas diffusion layer>
Process (i)
First, a mixture containing a conductive material, a polymer resin, a surfactant, and a dispersion medium is prepared. A kneader or a mixer may be used for the mixing device. At this time, it is preferable to add a conductive material, a surfactant, and a dispersion medium to the mixing device to uniformly disperse the conductive material in the dispersion medium, and then add and disperse the polymer resin. The polymer resin is preferably imparted with an appropriate shearing force to fibrillate the polymer resin. Examples of the dispersion medium include water, alcohol, and glycols. Examples of the surfactant include polyoxyethylene alkyl ether and alkylamine oxide.
工程(ii)
次に、得られた混合物を押し出し成形などの成形方法でシートに成形する。得られたシートを更に圧延してもよい。圧延には、ロールプレス機を使用することができる。ロールプレスの条件は、特に限定されないが、線圧0.001ton/cm〜4ton/cmで圧延することで強度の高いガス拡散層を得やすくなる。
Step (ii)
Next, the obtained mixture is formed into a sheet by a forming method such as extrusion. The obtained sheet may be further rolled. A roll press machine can be used for rolling. The conditions of the roll press are not particularly limited, but it becomes easy to obtain a gas diffusion layer having high strength by rolling at a linear pressure of 0.001 ton / cm to 4 ton / cm.
工程(iii)
次に、シートを焼成して界面活性剤および分散媒が除去された焼成シートとする。焼成温度は、高分子樹脂が劣化せず、かつ界面活性剤や分散媒が分解もしくは揮発する温度であればよい。高分子樹脂としてPTFEを用いる場合、焼成温度は310〜340℃が好ましい。焼成雰囲気は、不活性雰囲気であればよく、例えば窒素、アルゴンなどの雰囲気や、減圧雰囲気が好ましい。界面活性剤および分散媒は、その大半がシートから除去されればよく、必ずしも完全に除去する必要はない。
Step (iii)
Next, the sheet is fired to obtain a fired sheet from which the surfactant and the dispersion medium have been removed. The firing temperature may be any temperature at which the polymer resin does not deteriorate and the surfactant or dispersion medium decomposes or volatilizes. When PTFE is used as the polymer resin, the firing temperature is preferably 310 to 340 ° C. The firing atmosphere may be an inert atmosphere, and for example, an atmosphere such as nitrogen or argon or a reduced pressure atmosphere is preferable. Most of the surfactant and the dispersion medium need only be removed from the sheet, and need not be completely removed.
工程(iv)
次に、焼成シートを、その平均厚さが150μm以下であり、厚さ方向における酸素の拡散係数Dtが、1.2×10-3cm2/sec以上、6×10-2cm2/sec以下になるように圧延する。圧延におけるプレス圧力を高くするほど、酸素の拡散係数Dtは小さくなる。また、酸素の拡散係数比:Ds/Dtは大きくなり、板状材料の長軸が厚さTの方向と成す鋭角の角度θは90°に近づく。
Step (iv)
Next, the fired sheet has an average thickness of 150 μm or less, and an oxygen diffusion coefficient Dt in the thickness direction of 1.2 × 10 −3 cm 2 / sec or more, 6 × 10 −2 cm 2 / sec. Roll to the following. The higher the pressing pressure in rolling, the smaller the oxygen diffusion coefficient Dt. Also, the oxygen diffusion coefficient ratio: Ds / Dt increases, and the acute angle θ formed by the long axis of the plate-like material and the direction of the thickness T approaches 90 °.
圧延に用いる金型に、所定の流体流路パターンのリブを設けておくことにより、焼成シートの2つの主面の少なくとも一方に、流体流路となる溝を形成してもよい。また、流体流路を形成する方法は、上記のようなプレス加工に限らず、圧延されたシートの主面の切削加工などによって流体流路を形成してもよい。 By providing ribs of a predetermined fluid flow path pattern in a mold used for rolling, grooves serving as fluid flow paths may be formed on at least one of the two main surfaces of the fired sheet. Further, the method of forming the fluid flow path is not limited to the press work as described above, and the fluid flow path may be formed by cutting the main surface of the rolled sheet.
次に、ガス拡散層の厚さおよび酸素の拡散係数が、燃料電池のV−I特性に与える影響のシミュレーション結果について具体的に説明する。また、シミュレーション結果に基づいて設計されたガス拡散層を作製し、これを具備する燃料電池を組み立て、実証試験を行った結果についても説明する。 Next, the simulation result of the influence of the thickness of the gas diffusion layer and the diffusion coefficient of oxygen on the VI characteristics of the fuel cell will be specifically described. In addition, a gas diffusion layer designed based on the simulation result is manufactured, a fuel cell including the gas diffusion layer is assembled, and a result of a verification test is also described.
《第1シミュレーション》
一般的な酸素の拡散係数を有するガス拡散層を具備する燃料電池において、ガス拡散層の厚さを変化させたときのV−I特性とガス拡散層の厚さとの関係を調べた。ここでは、厚さ方向の酸素の拡散係数Dtと面方向の酸素の拡散係数Dsとが、Dt=Ds=2×10-1cm2/secの場合を想定し、ガス拡散層の厚さを200μm〜80μmの範囲で変化させた。ガス拡散層は、一次粒子径が50nmのカーボンブラック100質量部とPTFE10質量部とで構成することを想定した。
<< First simulation >>
In a fuel cell having a gas diffusion layer having a general oxygen diffusion coefficient, the relationship between the VI characteristics and the thickness of the gas diffusion layer when the thickness of the gas diffusion layer was changed was investigated. Here, assuming that the oxygen diffusion coefficient Dt in the thickness direction and the oxygen diffusion coefficient Ds in the plane direction are Dt = Ds = 2 × 10 −1 cm 2 / sec, the thickness of the gas diffusion layer is set as follows. It was changed in the range of 200 μm to 80 μm. The gas diffusion layer was assumed to be composed of 100 parts by mass of carbon black having a primary particle diameter of 50 nm and 10 parts by mass of PTFE.
ここでは、電解質膜として厚さ15μmのNafion膜(ゴア社製)を用い、Pt微粒子を担持したカーボンブラックと高分子電解質であるNafion(ゴア社製)とを含むカソード触媒層(触媒量:0.1mg/cm2)と、Pt微粒子を担持したカーボンブラックとNafion(ゴア社製)とを含むアノード触媒層とを用いる場合を想定した。アノードに70%の利用率となるように燃料ガスとして水素(露点55℃、無加圧)を供給し、カソードに50%の利用率となるように酸化剤ガスとして空気(露点65℃、圧力70kPa)を供給し、電流が一定に流れるように負荷制御装置を制御して、アノードおよびカソードの電極面積に対する電流密度を最大2.5A/cm2となるよう定電流で負荷をかけた場合を想定した。結果を図3に示す。 Here, a Nafion film (made by Gore) having a thickness of 15 μm is used as the electrolyte film, and a cathode catalyst layer (catalyst amount: 0) containing carbon black carrying Pt fine particles and Nafion (made by Gore) which is a polymer electrolyte. .1 mg / cm 2 ), an anode catalyst layer containing carbon black supporting Pt fine particles and Nafion (manufactured by Gore) was assumed. Hydrogen (dew point 55 ° C., no pressure) is supplied to the anode as a fuel gas so that the utilization rate is 70%, and air (dew point 65 ° C., pressure) is used as the oxidant gas so that the utilization rate is 50% to the cathode. 70 kPa), controlling the load control device so that the current flows constantly, and applying a load with a constant current so that the current density with respect to the electrode area of the anode and the cathode is 2.5 A / cm 2 at maximum. Assumed. The results are shown in FIG.
図3より、厚さ200μmのガス拡散層に比べて、厚さ150μm以下のガス拡散層を用いる場合に優れたV−I特性が得られることが理解できる。一方、厚さ100μmの場合と厚さ80μmの場合とでは、V−I特性に差が生じていない。これは、厚さ方向における酸素の拡散係数Dtが大きく、面方向におけるガス拡散性が不十分なためであると考えられる。 It can be understood from FIG. 3 that superior VI characteristics can be obtained when a gas diffusion layer having a thickness of 150 μm or less is used as compared with a gas diffusion layer having a thickness of 200 μm. On the other hand, there is no difference in VI characteristics between the case of 100 μm thickness and the case of 80 μm thickness. This is presumably because the oxygen diffusion coefficient Dt in the thickness direction is large and the gas diffusibility in the plane direction is insufficient.
《第2シミュレーション》
図4に、複数の並走する流体流路に直交する方向に沿って、触媒層とガス拡散層(厚さ100μm)との界面の酸素濃度の変化を求めた結果を示す。グラフAは、図3の条件と同じく、Dt=Ds=2×10-1cm2/secの場合を想定したときの結果であり、グラフBは、Dt=Ds/5=4×10-2cm2/secの場合を想定したときの結果である。図4のグラフAでは、流体流路に面する領域と面しない領域とで、酸素濃度指数に大きな差があるのに対し、グラフBでは、酸素濃度指数の差が小さくなっている。一方、図5に、複数の並走する流体流路に直交する方向に沿って、触媒層とガス拡散層(厚さ200μm)との界面の酸素濃度指数の変化を求めた結果を示す。図5のグラフCは、図3の条件と同じく、Dt=Ds=2×10-1cm2/secの場合を想定したときの結果である。グラフCの酸素濃度指数の差は、グラフBと同程度である。
<< Second simulation >>
FIG. 4 shows the results of determining the change in oxygen concentration at the interface between the catalyst layer and the gas diffusion layer (thickness: 100 μm) along the direction orthogonal to the plurality of fluid flow paths running in parallel. Graph A is the result when assuming the case of Dt = Ds = 2 × 10 −1 cm 2 / sec, similarly to the condition of FIG. 3, and graph B shows Dt = Ds / 5 = 4 × 10 −2. It is a result when the case of cm 2 / sec is assumed. In graph A of FIG. 4, there is a large difference in oxygen concentration index between the region facing the fluid flow path and the region not facing, whereas in graph B, the difference in oxygen concentration index is small. On the other hand, FIG. 5 shows the result of determining the change in the oxygen concentration index at the interface between the catalyst layer and the gas diffusion layer (thickness: 200 μm) along the direction orthogonal to the plurality of parallel fluid flow paths. Graph C in FIG. 5 shows the results when assuming the case of Dt = Ds = 2 × 10 −1 cm 2 / sec, similarly to the condition in FIG. 3. The difference in the oxygen concentration index in graph C is about the same as that in graph B.
図4および図5の傾向は、厚さが薄くなるほど、流体流路に面する領域と面しない領域とで、酸素濃度のバラツキが大きくなることを示唆している。図3においてガス拡散層の厚さ100μmの場合と厚さ80μmの場合とでV−I特性に差が生じていないのは、厚さ80μmの場合には、上記のような酸素濃度のバラツキが大きいためであると考えられる。このような傾向が得られる理由としては、ガス拡散層の流体流路に面する領域では、厚さ方向の拡散が優先的に起こるため、触媒層の酸素濃度が不均一になりやすいことが一因であると考えられる。触媒層の酸素濃度が不均一になると、発電性能の低下を招くものと考えられる。発電性能を向上させるには、厚さ方向よりも面方向の拡散性を向上させ、触媒層に均一に酸素を拡散させることが重要であると考えられる。 The tendency of FIGS. 4 and 5 suggests that the smaller the thickness, the greater the variation in oxygen concentration between the area facing the fluid flow path and the area not facing. In FIG. 3, there is no difference in the VI characteristics between the case where the thickness of the gas diffusion layer is 100 μm and the case where the thickness is 80 μm. This is probably because it is large. The reason why such a tendency is obtained is that, in the region of the gas diffusion layer facing the fluid flow path, diffusion in the thickness direction occurs preferentially, so that the oxygen concentration in the catalyst layer tends to be non-uniform. It is thought to be a cause. If the oxygen concentration in the catalyst layer becomes uneven, it is considered that the power generation performance is lowered. In order to improve the power generation performance, it is considered important to improve the diffusibility in the plane direction rather than the thickness direction and to diffuse oxygen uniformly in the catalyst layer.
《第3シミュレーション》
図6に、ガス拡散層の厚さを80μmとし、Dt=Ds/5=4×10-3cm2/secとしたこと以外、第1シミュレーションと同様に求めたV−I特性を示す。図6には、Dt=Ds=2×10-1cm2/secの場合のV−I特性(Ref)も示す。図6より、酸素の拡散係数Dtを従来の一般的な数値の1/50にした場合でも、Dt<Ds(Dt=Ds/5)とすれば、より優れたV−I特性が得られることを示している。
<< Third simulation >>
FIG. 6 shows the VI characteristics obtained in the same manner as in the first simulation except that the thickness of the gas diffusion layer is 80 μm and Dt = Ds / 5 = 4 × 10 −3 cm 2 / sec. FIG. 6 also shows the VI characteristic (Ref) when Dt = Ds = 2 × 10 −1 cm 2 / sec. From FIG. 6, even if the oxygen diffusion coefficient Dt is set to 1/50 of the conventional general numerical value, if Dt <Ds (Dt = Ds / 5), more excellent VI characteristics can be obtained. Is shown.
《第4シミュレーション》
図7に、ガス拡散層の厚さを80μmとし、Dt=Ds/5=2×10-2cm2/secとしたこと以外、第1シミュレーションと同様に求めたV−I特性を示す。図7には、Dt=Ds=2×10-1cm2/secの場合のV−I特性(Ref)も示す。図7は、良好なV−I特性を得るためには、酸素の拡散係数比:Ds/Dtを大きくすることが重要であることや、酸素の拡散係数比:Ds/Dtを適切に制御できれば、酸素の拡散係数Dtが10倍程度変化してもV−I特性に大きな差が生じないことを示している。
<< 4th simulation >>
FIG. 7 shows the VI characteristics obtained in the same manner as in the first simulation except that the thickness of the gas diffusion layer was 80 μm and Dt = Ds / 5 = 2 × 10 −2 cm 2 / sec. FIG. 7 also shows the VI characteristic (Ref) when Dt = Ds = 2 × 10 −1 cm 2 / sec. FIG. 7 shows that in order to obtain good VI characteristics, it is important to increase the oxygen diffusion coefficient ratio: Ds / Dt, or if the oxygen diffusion coefficient ratio: Ds / Dt can be appropriately controlled. This shows that even if the oxygen diffusion coefficient Dt changes about 10 times, there is no significant difference in the VI characteristics.
《第5シミュレーション》
図8に、ガス拡散層の厚さを150μmとし、Dt=Ds=6.0×10-2cm2/secとし、面積あたりの触媒量を4倍(触媒量:0.4mg/cm2)としたこと以外、第1シミュレーションと同様に求めたV−I特性(実線)を示す。また、図8には、シミュレーションのモデルと同じ厚さと酸素の拡散係数Dt=Dsを有するガス拡散層を作製し、モデルと同じ条件で燃料電池を作製して、稼働させたときのV−I特性を破線で示す。
<< 5th simulation >>
In FIG. 8, the thickness of the gas diffusion layer is 150 μm, Dt = Ds = 6.0 × 10 −2 cm 2 / sec, and the amount of catalyst per area is four times (catalyst amount: 0.4 mg / cm 2 ). Except for the above, the VI characteristic (solid line) obtained in the same manner as in the first simulation is shown. FIG. 8 shows a V-I when a gas diffusion layer having the same thickness and oxygen diffusion coefficient Dt = Ds as the simulation model is manufactured, and a fuel cell is manufactured and operated under the same conditions as the model. The characteristic is indicated by a broken line.
《第6シミュレーション》
図9に、ガス拡散層の厚さを100μmとし、Dt=Ds=6.0×10-2cm2/secとし、面積あたりの触媒量を4倍(触媒量:0.4mg/cm2)としたこと以外、第1シミュレーションと同様に求めたV−I特性(実線)を示す。また、図9には、シミュレーションのモデルと同じ厚さと酸素の拡散係数Dt=Dsを有するガス拡散層を作製し、モデルと同じ条件で燃料電池を作製して、稼働させたときのV−I特性を破線で示す。
<< Sixth simulation >>
In FIG. 9, the thickness of the gas diffusion layer is 100 μm, Dt = Ds = 6.0 × 10 −2 cm 2 / sec, and the amount of catalyst per area is four times (catalyst amount: 0.4 mg / cm 2 ). Except for the above, the VI characteristic (solid line) obtained in the same manner as in the first simulation is shown. FIG. 9 shows a V-I when a gas diffusion layer having the same thickness and oxygen diffusion coefficient Dt = Ds as the simulation model is manufactured, and a fuel cell is manufactured and operated under the same conditions as the model. The characteristic is indicated by a broken line.
《第7シミュレーション》
図10に、ガス拡散層の厚さを80μmとし、Dt=Ds=6.0×10-2cm2/secとし、面積あたりの触媒量を4倍(触媒量:0.4mg/cm2)としたこと以外、第1シミュレーションと同様に求めたV−I特性(実線)を示す。また、図10には、シミュレーションのモデルと同じ厚さと酸素の拡散係数Dt=Dsを有するガス拡散層を作製し、モデルと同じ条件で燃料電池を作製して、稼働させたときのV−I特性を破線で示す。
<< Seventh simulation >>
In FIG. 10, the thickness of the gas diffusion layer is 80 μm, Dt = Ds = 6.0 × 10 −2 cm 2 / sec, and the amount of catalyst per area is 4 times (catalyst amount: 0.4 mg / cm 2 ). Except for the above, the VI characteristic (solid line) obtained in the same manner as in the first simulation is shown. FIG. 10 shows a V-I when a gas diffusion layer having the same thickness and oxygen diffusion coefficient Dt = Ds as in the simulation model is manufactured, and a fuel cell is manufactured and operated under the same conditions as the model. The characteristic is indicated by a broken line.
図8〜10は、シミュレーションで得られたV−I特性と実測されたV−I特性とが高精度で一致することを示している。このことは、シミュレーションに用いた計算ソフトの信頼性の高さを示している。計算ソフトは、本発明者らが既に述べたアルゴリズムに従って独自にプログラミングしたものである。図11に、図8、9および10において破線で示したV−I特性(実測データ)を重ねて表示する。 8 to 10 show that the VI characteristic obtained by the simulation and the actually measured VI characteristic coincide with each other with high accuracy. This indicates the high reliability of the calculation software used for the simulation. The calculation software is uniquely programmed according to the algorithm already described by the present inventors. In FIG. 11, the VI characteristics (measured data) indicated by broken lines in FIGS.
《第8シミュレーション》
図12に、ガス拡散層の厚さを100μmとし、Dt=Ds/5=1.2×10-3cm2/secとし、面積あたりの触媒量を4倍(触媒量:0.4mg/cm2)としたこと以外、第1シミュレーションと同様に求めたV−I特性(実線)を示す。また、図12には、シミュレーションのモデルと同じ厚さと酸素の拡散係数DtおよびDsを有するガス拡散層を作製し、モデルと同じ条件で燃料電池を作製して、稼働させたときのV−I特性を破線で示す。ここでは、V−I特性を実際に測定するためのガス拡散層に鱗片状黒鉛を7.5質量%含有させることにより、DtおよびDsを所望の数値に制御した。
<< Eighth simulation >>
In FIG. 12, the thickness of the gas diffusion layer is 100 μm, Dt = Ds / 5 = 1.2 × 10 −3 cm 2 / sec, and the amount of catalyst per area is 4 times (catalyst amount: 0.4 mg / cm 2 ) The VI characteristic (solid line) obtained in the same manner as in the first simulation is shown except for the above. FIG. 12 shows a V-I when a gas diffusion layer having the same thickness and oxygen diffusion coefficients Dt and Ds as the simulation model is manufactured, and a fuel cell is manufactured and operated under the same conditions as the model. The characteristic is indicated by a broken line. Here, Dt and Ds were controlled to desired values by containing 7.5% by mass of scaly graphite in the gas diffusion layer for actually measuring the VI characteristic.
《第9シミュレーション》
図13に、ガス拡散層の厚さを100μm、80μmまたは50μmとし、Dt=Ds/5=1.2×10-3cm2/secとし、面積あたりの触媒量を4倍(触媒量:0.4mg/cm2)としたこと以外、第1シミュレーションと同様に求めたV−I特性を示す。ここでも、ガス拡散層に鱗片状黒鉛を7.5質量%含有させた場合を想定した。図13より、Dtを小さくするとともに、ガス拡散層の厚さをより小さくすることで、V−I特性が大きく向上することが理解できる。
<< 9th simulation >>
FIG. 13 shows that the thickness of the gas diffusion layer is 100 μm, 80 μm, or 50 μm, Dt = Ds / 5 = 1.2 × 10 −3 cm 2 / sec, and the amount of catalyst per area is four times (catalyst amount: 0). The V-I characteristic obtained in the same manner as in the first simulation is shown except that it is 4 mg / cm 2 ). Here, the case where 7.5 mass% of scaly graphite was contained in the gas diffusion layer was assumed. From FIG. 13, it can be understood that the VI characteristic is greatly improved by reducing Dt and reducing the thickness of the gas diffusion layer.
本発明によれば、優れた発電性能を有する燃料電池を得ることができる。 According to the present invention, a fuel cell having excellent power generation performance can be obtained.
1 セル
2 アノード
3 カソード
4 電解質膜
5 膜電極接合体(MEA)
6 アノード触媒層
10 アノードセパレータ
7 アノードガス拡散層
8 カソード触媒層
11 カソードセパレータ
9 カソードガス拡散層
14, 15 ガスケット
12 燃料流路
13 酸化剤流路
16,17 集電板
18,19 端板
20 板状粒子
20t 長軸の端部
1
6
Claims (9)
前記ガス拡散層の平均厚さが150μm以下であり、
前記ガス拡散層の厚さ方向における酸素の拡散係数Dtが、1.2×10-3cm2/sec以上、6×10-2cm2/sec以下である、ガス拡散層。 A gas diffusion layer for a fuel cell,
The gas diffusion layer has an average thickness of 150 μm or less;
A gas diffusion layer having an oxygen diffusion coefficient Dt of 1.2 × 10 −3 cm 2 / sec or more and 6 × 10 −2 cm 2 / sec or less in the thickness direction of the gas diffusion layer.
前記導電性材料が、粒子状材料と板状材料とを含む、請求項1に記載のガス拡散層。 The gas diffusion layer includes a conductive material and a polymer resin,
The gas diffusion layer according to claim 1, wherein the conductive material includes a particulate material and a plate-like material.
前記ガス拡散層の厚さ方向における酸素の拡散係数Dtよりも、前記厚さ方向に垂直な面方向における酸素の拡散係数Dsが大きい、ガス拡散層。 A gas diffusion layer for a fuel cell,
A gas diffusion layer in which an oxygen diffusion coefficient Ds in a plane direction perpendicular to the thickness direction is larger than an oxygen diffusion coefficient Dt in the thickness direction of the gas diffusion layer.
前記ガス拡散層は、導電性材料と高分子樹脂とを含み、
前記導電性材料が、粒子状材料と板状材料とを含み、
前記板状材料の長軸と、前記ガス拡散層の厚さ方向とが成す鋭角の角度が、60°以上、90°以下である、ガス拡散層。 A gas diffusion layer for a fuel cell,
The gas diffusion layer includes a conductive material and a polymer resin,
The conductive material includes a particulate material and a plate material,
A gas diffusion layer, wherein an acute angle formed by a major axis of the plate-like material and a thickness direction of the gas diffusion layer is 60 ° or more and 90 ° or less.
前記一対のガス拡散層の少なくとも一方が、請求項1〜7のいずれか1項に記載のガス拡散層である、燃料電池。 An electrolyte membrane, a catalyst layer disposed on each main surface of the electrolyte membrane, and a pair of gas diffusion layers disposed on the opposite side of the catalyst layer from the electrolyte membrane,
A fuel cell in which at least one of the pair of gas diffusion layers is the gas diffusion layer according to any one of claims 1 to 7.
(ii)前記混合物をシートに成形する工程と、
(iii)前記シートを焼成して、前記界面活性剤および前記分散媒が除去された焼成シートを得る工程と、
(iv)前記焼成シートを、その平均厚さが150μm以下であり、厚さ方向における酸素の拡散係数Dtが、1.2×10-3cm2/sec以上、6×10-2cm2/sec以下になるように圧延する工程と、を備える、燃料電池用ガス拡散層の製造方法。 (I) preparing a mixture including a conductive material, a polymer resin, a surfactant, and a dispersion medium;
(Ii) forming the mixture into a sheet;
(Iii) firing the sheet to obtain a fired sheet from which the surfactant and the dispersion medium have been removed;
(Iv) The fired sheet has an average thickness of 150 μm or less, and an oxygen diffusion coefficient Dt in the thickness direction of 1.2 × 10 −3 cm 2 / sec or more, 6 × 10 −2 cm 2 / and a step of rolling so as to be equal to or less than sec.
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