JP5341321B2 - Electrolyte membrane / electrode structure for polymer electrolyte fuel cells - Google Patents
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Description
本発明は、高分子イオン交換膜からなり且つプロトンを伝導するプロトン伝導体である固体高分子電解質膜を介してアノード側電極及びカソード側電極が配設される固体高分子型燃料電池用電解質膜・電極構造体に関する。 The present invention relates to an electrolyte membrane for a polymer electrolyte fuel cell in which an anode side electrode and a cathode side electrode are disposed via a solid polymer electrolyte membrane which is a proton conductor that conducts protons and is made of a polymer ion exchange membrane. -It relates to an electrode structure.
固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる電解質膜の各端面にアノード側電極、カソード側電極のそれぞれを配設した電解質膜・電極構造体を、1組のセパレータによって挟持することで構成された単位セルを備える。この種の固体高分子型燃料電池において、高分子イオン交換膜(電解質膜)は、アノード側電極からカソード側電極に向かってプロトンを伝導させるプロトン伝導体として機能する。 In a polymer electrolyte fuel cell, an electrolyte membrane / electrode structure in which an anode side electrode and a cathode side electrode are disposed on each end face of an electrolyte membrane made of a polymer ion exchange membrane is sandwiched between a pair of separators. A unit cell composed of In this type of polymer electrolyte fuel cell, the polymer ion exchange membrane (electrolyte membrane) functions as a proton conductor that conducts protons from the anode side electrode toward the cathode side electrode.
ここで、アノード側電極及びカソード側電極は、一般的に、供給された反応ガスを拡散させるガス拡散層と、前記反応ガスの反応場である電極触媒層とを有する。場合によっては、これらガス拡散層と電極触媒層との接触抵抗を低減させ、且つ電極内で反応ガスを一層拡散させるために、ガス拡散層と電極触媒層との間に中間層が設けられることもある。 Here, the anode side electrode and the cathode side electrode generally have a gas diffusion layer for diffusing the supplied reaction gas and an electrode catalyst layer which is a reaction field of the reaction gas. In some cases, an intermediate layer is provided between the gas diffusion layer and the electrode catalyst layer in order to reduce the contact resistance between the gas diffusion layer and the electrode catalyst layer and further diffuse the reaction gas in the electrode. There is also.
通常、中間層には、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)等の撥水性樹脂及びカーボン粉末が添加されている。特許文献1には、前記接触抵抗をさらに低減させるべく、これらの他に中間層に繊維状カーボンをさらに添加することが提案されている。
Usually, a water-repellent resin such as polytetrafluoroethylene (PTFE) and carbon powder are added to the intermediate layer.
繊維状カーボンが添加された中間層は、前記接触抵抗を低減させるには有効である。しかしながら、本発明者らが検討したところ、このような中間層が介在された電極を作製する際に、ホットプレス時の昇温及びその後の冷却に伴って温度変化が生じたり、又は湿度変化が生じたりすると、各層の体積変化率、ひいては体積変化量が相違することに起因して層同士の界面で剥離が起こることがあることが認められた。すなわち、この場合、機械的強度に乏しい電極になってしまうという不具合が顕在化している。 An intermediate layer to which fibrous carbon is added is effective in reducing the contact resistance. However, as a result of investigations by the present inventors, when an electrode having such an intermediate layer interposed is produced, a temperature change occurs due to a temperature rise during hot pressing and subsequent cooling, or a humidity change occurs. When it occurs, it has been recognized that peeling may occur at the interface between the layers due to the difference in volume change rate of each layer, and hence the volume change amount. That is, in this case, the problem of becoming an electrode with poor mechanical strength has become apparent.
本発明は上記した問題を解決するためになされたもので、電極に層間剥離が起こり難く、しかも、クロスリークが発生し難い固体高分子型燃料電池用電解質膜・電極構造体を提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and provides an electrolyte membrane / electrode structure for a polymer electrolyte fuel cell in which delamination does not easily occur in an electrode and cross-leakage hardly occurs. Objective.
前記の目的を達成するために、本発明は、高分子イオン交換膜からなり且つプロトン伝導体である電解質膜と、前記電解質膜を介して配設されるアノード側電極及びカソード側電極とを備える固体高分子型燃料電池用電解質膜・電極構造体であって、
前記アノード側電極及びカソード側電極は、カーボンペーパーを基材とするガス拡散層と、前記電解質膜に臨む電極触媒層と、前記ガス拡散層と前記電極触媒層の間に介在し且つ前記電極触媒層に接合するとともに、カーボン粒子及び撥水樹脂を重量比でカーボン粒子:撥水樹脂=6:4で含む中間層とを有し、
前記中間層の一端部全体が前記ガス拡散層の厚み方向の途中まで浸透することで前記中間層の一部が前記ガス拡散層に浸透するとともに、該中間層の他端部全体が前記ガス拡散層から突出しており、
且つ前記ガス拡散層における前記中間層に臨む端面と、前記電極触媒層における前記中間層に臨む端面との最短距離が7〜29μmであることを特徴とする。
In order to achieve the above object, the present invention comprises an electrolyte membrane made of a polymer ion exchange membrane and a proton conductor, and an anode side electrode and a cathode side electrode disposed via the electrolyte membrane. An electrolyte membrane / electrode structure for a polymer electrolyte fuel cell,
The anode side electrode and the cathode side electrode are interposed between the gas diffusion layer based on carbon paper, the electrode catalyst layer facing the electrolyte membrane, the gas diffusion layer and the electrode catalyst layer, and the electrode catalyst. And an intermediate layer containing carbon particles and water repellent resin in a weight ratio of carbon particles: water repellent resin = 6: 4 ,
A part of the intermediate layer permeates the gas diffusion layer by infiltrating the whole one end part of the intermediate layer in the middle of the thickness direction of the gas diffusion layer, and the other end part of the intermediate layer diffuses the gas diffusion part. Protruding from the layer,
The shortest distance between the end face of the gas diffusion layer facing the intermediate layer and the end face of the electrode catalyst layer facing the intermediate layer is 7 to 29 μm.
なお、ガス拡散層及び電極触媒層には、その表面に極めて微細な隆起部及び陥没部が多数存在する。すなわち、前記ガス拡散層における中間層に臨む端面、及び前記電極触媒層における前記中間層に臨む端面は、微視的には平坦ではない。そこで、本発明においては、ガス拡散層における中間層に臨む端面に存在する隆起部のうち高さが最高のものの頂部と、電極触媒層中で前記頂部に対向する部位との距離、又は、電極触媒層における前記中間層に臨む端面に存在する隆起部のうち高さが最高のものの頂部と、ガス拡散層中で前記該頂部に対向する部位との距離のいずれか一方のうち、距離が短い方を最短距離と指称することとする。例えば、ガス拡散層中で高さが最高である隆起部と、電極触媒層中で高さが最高である隆起部の頂部とが互いに対向する場合、最短距離は、両頂部の離間距離である。 The gas diffusion layer and the electrode catalyst layer have a large number of very fine ridges and depressions on the surface. That is, the end face of the gas diffusion layer facing the intermediate layer and the end face of the electrode catalyst layer facing the intermediate layer are not microscopically flat. Therefore, in the present invention, the distance between the top of the raised portion present on the end face facing the intermediate layer in the gas diffusion layer and the portion facing the top in the electrode catalyst layer, or the electrode Of the ridges present on the end face facing the intermediate layer in the catalyst layer, the distance between the top of the ridge having the highest height and the portion facing the top in the gas diffusion layer is short. Will be referred to as the shortest distance. For example, when the ridge having the highest height in the gas diffusion layer and the top of the ridge having the highest height in the electrode catalyst layer face each other, the shortest distance is the separation distance between the two tops. .
前記最短距離を7μm以上とすることにより、ガス拡散層に含まれる繊維状カーボンが中間層や電極触媒層に対して突出することが回避される。この結果、前記繊維状カーボンが各層の熱膨張・収縮等に起因する応力によって中間層を貫通し固体高分子電解質膜に接触することが回避されるので、この接触を原因としてクロスリークが発生することが長期間にわたって回避される。換言すれば、固体高分子型燃料電池の耐久性が向上し、結局、この固体高分子型燃料電池を長期間にわたって連続運転することができる。 By setting the shortest distance to 7 μm or more, it is avoided that the fibrous carbon contained in the gas diffusion layer protrudes from the intermediate layer or the electrode catalyst layer. As a result, the fibrous carbon is prevented from penetrating the intermediate layer and coming into contact with the solid polymer electrolyte membrane due to the stress caused by thermal expansion / contraction of each layer, etc., so that cross leak occurs due to this contact. Is avoided for a long time. In other words, the durability of the polymer electrolyte fuel cell is improved, and the polymer electrolyte fuel cell can be continuously operated over a long period of time.
その一方で、前記最短距離を29μm以下とすることにより、各層同士の体積変化量の不整合が緩和される。このために各層同士の接合強度が確保されるので、電極を作製する最中や、固体高分子型燃料電池を運転する最中に層間剥離が起こることを回避することができる。勿論、電極の製造歩留まりも向上する。 On the other hand, by setting the shortest distance to 29 μm or less, the mismatch in volume change between the layers is alleviated. For this reason, since the bonding strength between the layers is ensured, it is possible to avoid delamination during the production of the electrode or during the operation of the polymer electrolyte fuel cell. Of course, the manufacturing yield of the electrodes is also improved.
以上のように、本発明によれば、電極に層間剥離が起こり難くなる一方で、クロスリークが発生し難い固体高分子型燃料電池を構成することができる。 As described above, according to the present invention, it is possible to configure a polymer electrolyte fuel cell in which delamination does not easily occur in the electrode and cross leak is hardly generated.
なお、中間層における電極触媒層に臨む側の端面の表面粗さは、JIS B 0601(2001年)に規定される算術平均高さRaで2〜15μmであることが好ましい。算術平均高さRaが2μm以上であると、電極触媒層と中間層とがいわゆるアンカー効果によって互いに堅牢に接合するようになるので、両層同士の接合強度が大きくなり、層間剥離が一層起こり難くなる。また、算術平均高さRaが15μm以下であると、中間層と電極触媒層との間に隙間が形成されることが抑制されるようになるので、中間層と電極触媒層との間の接触抵抗を低減することができる。このため、単位セルの内部抵抗が小さくなるので、該単位セル、ひいては固体高分子型燃料電池から高電圧を得ることができる。 In addition, it is preferable that the surface roughness of the end surface on the side facing the electrode catalyst layer in the intermediate layer is 2 to 15 μm in terms of arithmetic average height Ra specified in JIS B 0601 (2001). When the arithmetic average height Ra is 2 μm or more, the electrode catalyst layer and the intermediate layer are firmly bonded to each other by a so-called anchor effect, so that the bonding strength between both layers is increased, and delamination is less likely to occur. Become. Further, when the arithmetic average height Ra is 15 μm or less, the formation of a gap between the intermediate layer and the electrode catalyst layer is suppressed, so that the contact between the intermediate layer and the electrode catalyst layer is prevented. Resistance can be reduced. For this reason, since the internal resistance of the unit cell is reduced, a high voltage can be obtained from the unit cell and thus the polymer electrolyte fuel cell.
すなわち、中間層の算術平均高さを所定の範囲内とすることにより、各層間の接合強度に優れ、且つ発電特性が良好な固体高分子型燃料電池を得ることができるようになる。 That is, by setting the arithmetic average height of the intermediate layer within a predetermined range, it is possible to obtain a polymer electrolyte fuel cell having excellent bonding strength between the layers and excellent power generation characteristics.
本発明によれば、固体高分子型燃料電池を構成する電極のガス拡散層における中間層に臨む端面と、電極触媒層における前記中間層に臨む端面との最短距離を所定の間隔に設定するようにしている。このため、前記ガス拡散層に含まれる繊維状カーボンが前記中間層や前記電極触媒層に対して突出して固体高分子電解質膜に接触することが回避されるので、この接触を原因としてクロスリークが発生することが回避される。これにより、固体高分子型燃料電池の耐久性が確保される。 According to the present invention, the shortest distance between the end surface facing the intermediate layer in the gas diffusion layer of the electrode constituting the polymer electrolyte fuel cell and the end surface facing the intermediate layer in the electrode catalyst layer is set to a predetermined interval. I have to. For this reason, it is avoided that the fibrous carbon contained in the gas diffusion layer protrudes from the intermediate layer or the electrode catalyst layer and comes into contact with the solid polymer electrolyte membrane. Occurrence is avoided. This ensures the durability of the polymer electrolyte fuel cell.
同時に、各層同士の体積変化量の不整合が緩和されるようになり、例えば、電極を作製する最中や、固体高分子型燃料電池を運転する最中に、電極に層間剥離が起こることを回避することができる。勿論、電極の製造歩留まりも向上する。 At the same time, the inconsistency in the volume change between the layers is alleviated. For example, delamination occurs in the electrode during the production of the electrode or during the operation of the polymer electrolyte fuel cell. It can be avoided. Of course, the manufacturing yield of the electrodes is also improved.
以下、本発明に係る固体高分子型燃料電池用電解質膜・電極構造体(以下、単に電解質膜・電極構造体ともいう)につきそれを具備する固体高分子型燃料電池との関係で好適な実施の形態を挙げ、添付の図面を参照して詳細に説明する。 Hereinafter, the electrolyte membrane / electrode structure for a polymer electrolyte fuel cell according to the present invention (hereinafter also simply referred to as an electrolyte membrane / electrode structure) is preferably implemented in relation to the polymer electrolyte fuel cell having the same. And will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
図1は、本実施の形態に係る電解質膜・電極構造体を具備する固体高分子型燃料電池10の一部分解概略斜視図であり、図2は、前記固体高分子型燃料電池10の一部断面説明図である。
FIG. 1 is a partially exploded schematic perspective view of a polymer
この固体高分子型燃料電池10は、複数の単位セル12が水平方向(矢印A方向)に積層された積層体14を備える。積層体14の積層方向(矢印A方向)一端には、ターミナルプレート16a、絶縁プレート18a及びエンドプレート20aが外方に向かって、順次、配設される。
The polymer
積層体14の積層方向他端には、ターミナルプレート16b、絶縁プレート18b及びエンドプレート20bが外方に向かって、順次、配設される(図1参照)。固体高分子型燃料電池10は、例えば、四角形に構成されるエンドプレート20a、20bを端板として含む箱状ケーシング(図示せず)により一体的に保持され、あるいは、矢印A方向に延在する複数のタイロッド(図示せず)により一体的に締め付け保持される。
At the other end in the stacking direction of the
ターミナルプレート16a、16bの略中央には、積層方向外方に延在する端子部26a、26bが設けられる。端子部26a、26bは、絶縁性筒体28に挿入されてエンドプレート20a、20bの外部に突出する。
図2及び図3に示すように、各単位セル12は、電解質膜・電極構造体30と、前記電解質膜・電極構造体30を挟持する第1セパレータ32及び第2セパレータ34とを備える。第1セパレータ32及び第2セパレータ34は、金属製薄板を波形状にプレス加工することにより、断面凹凸形状を有している。第1セパレータ32及び第2セパレータ34は、縦長形状を有するとともに、長辺が重力方向(矢印C方向)に向かい且つ短辺が水平方向(矢印B方向)に向かうように構成される。
As shown in FIGS. 2 and 3, each
積層体14の長辺方向(図3中の矢印C方向)の上端縁部には、矢印A方向に互いに連通して、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスを供給するための酸化剤ガス供給連通孔(反応ガス入口部)36a、及び燃料ガス、例えば、水素含有ガスを供給するための燃料ガス供給連通孔(反応ガス入口部)38aが設けられる。 An oxidant gas supply for supplying an oxidant gas, for example, an oxygen-containing gas, communicates with each other in the direction of the arrow A at the upper edge of the long side direction (the direction of arrow C in FIG. 3) of the laminate 14. A communication hole (reaction gas inlet portion) 36a and a fuel gas supply communication hole (reaction gas inlet portion) 38a for supplying a fuel gas, for example, a hydrogen-containing gas, are provided.
一方、積層体14の長辺方向の下端縁部には、矢印A方向に互いに連通して、燃料ガスを排出するための燃料ガス排出連通孔(反応ガス出口部)38b、及び酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス排出連通孔(反応ガス出口部)36bが設けられる。
On the other hand, the lower end edge in the long side direction of the
さらに、積層体14の短辺方向(矢印B方向)の一端縁部には、矢印A方向に互いに連通して、冷却媒体を供給するための冷却媒体供給連通孔40aが設けられるとともに、短辺方向の他端縁部には、前記冷却媒体を排出するための冷却媒体排出連通孔40bが設けられる。
Furthermore, a cooling medium
電解質膜・電極構造体30は、例えば、パーフルオロスルホン酸の薄膜に水が含浸された固体高分子電解質膜42と、前記固体高分子電解質膜42を挟持するアノード側電極43及びカソード側電極44とを備える。
The electrolyte membrane /
この場合、固体高分子電解質膜42の材質としては、プロトン伝導性を示す体高分子イオン交換膜、例えば、スルホン化ポリアリーレンポリマーやナフィオン(デュポン社製の商品名)が選定される。一方、アノード側電極43及びカソード側電極44の各々は、カーボンペーパーを基材とするガス拡散層45a、45bと、カーボン粒子を含んで形成された中間層46a、46bと、該中間層46a、46bに積層され且つ固体高分子電解質膜42の両面に臨むようにして形成された電極触媒層47a、47bとを有する。すなわち、中間層46a、46bは、ガス拡散層45a、45bと、電極触媒層47a、47bとの間に介在している。
In this case, as the material of the solid
第1セパレータ32の電解質膜・電極構造体30に臨む面32aには、燃料ガス供給連通孔38aと燃料ガス排出連通孔38bとを連通する燃料ガス流路(反応ガス流路)48が形成される。この燃料ガス流路48は、図3及び図4に示すように、矢印C方向に延在する複数の波状流路溝48aを有し、前記波状流路溝48aの矢印C方向上端及び下端に位置して、複数のエンボスを備える入口バッファ部50a及び出口バッファ部50bが設けられる。
On the
入口バッファ部50aは、燃料ガス供給連通孔38a及び酸化剤ガス供給連通孔36aに向かって傾斜する傾斜面52a、52bを有する。出口バッファ部50bは、燃料ガス排出連通孔38b及び酸化剤ガス排出連通孔36bに向かって傾斜する傾斜面54a、54bを有する。燃料ガス供給連通孔38aは、入口バッファ部50aの上端位置よりも上方に配置されるとともに、燃料ガス排出連通孔38bは、出口バッファ部50bの下端位置よりも下方に配置される。
The
燃料ガス供給連通孔38aと入口バッファ部50aとの間には、前記燃料ガス供給連通孔38aに向かって傾斜する複数の入口通路溝56aが、複数の凸状部58a間に形成される。同様に、燃料ガス排出連通孔38bと出口バッファ部50bとの間には、前記燃料ガス排出連通孔38bに向かって傾斜する複数の出口通路溝56bが、複数の凸状部58b間に形成される。各凸状部58bの下端位置は、千鳥状に配置されるとともに、前記凸状部58bの下端は、湾曲端面(R面)を構成する。
Between the fuel gas
図5に示すように、第2セパレータ34の電解質膜・電極構造体30に臨む面34aには、酸化剤ガス供給連通孔36aと酸化剤ガス排出連通孔36bとを連通する酸化剤ガス流路60(反応ガス流路)が形成される。この酸化剤ガス流路60は、矢印C方向に延在する複数の波状流路溝60aを有し、前記波状流路溝60aの矢印C方向上端及び下端に位置して、複数のエンボスを備える入口バッファ部62a及び出口バッファ部62bが設けられる。
As shown in FIG. 5, on the
入口バッファ部62aは、酸化剤ガス供給連通孔36a及び燃料ガス供給連通孔38aに向かって傾斜する傾斜面64a、64bを有する。出口バッファ部62bは、酸化剤ガス排出連通孔36b及び燃料ガス排出連通孔38bに向かって傾斜する傾斜面66a、66bを有する。酸化剤ガス供給連通孔36aは、入口バッファ部62aの上端位置よりも上方に配置されるとともに、酸化剤ガス排出連通孔36bは、出口バッファ部62bの下端位置よりも下方に配置される。
The
酸化剤ガス供給連通孔36aと入口バッファ部62aとの間には、前記酸化剤ガス供給連通孔36aに向かって傾斜する複数の入口通路溝68aが、複数の凸状部70a間に形成される。同様に、酸化剤ガス排出連通孔36bと出口バッファ部62bとの間には、前記酸化剤ガス排出連通孔36bに向かって傾斜する複数の出口通路溝68bが、複数の凸状部70b間に形成される。各凸状部70bの下端位置は、千鳥状に配置されるとともに、前記凸状部70bの下端は、湾曲端面(R面)を構成する。
A plurality of
第2セパレータ34の面34bと、第1セパレータ32の面32bとの間には、冷却媒体供給連通孔40aと冷却媒体排出連通孔40bとに連通する冷却媒体流路72が形成される(図3参照)。この冷却媒体流路72は、燃料ガス流路48の裏面形状と酸化剤ガス流路60の裏面形状とが重なり合うことによって、矢印B方向に延在して形成される。
A cooling
第1セパレータ32の面32a、32bには、この第1セパレータ32の外周端縁部を周回して第1シール部材74が一体成形される。第2セパレータ34の面34a、34bには、この第2セパレータ34の外周端縁部を周回して第2シール部材76が一体成形される。
A
図1及び図2に示す絶縁プレート18a、18bは、例えば、ポリカーボネートやフェノール樹脂等の絶縁性材料から形成される。これら絶縁プレート18a、18bの中央部には矩形状の凹部80a、80bが設けられるとともに、この凹部80a、80bの略中央に孔部82a、82bが形成される。
The insulating
凹部80a、80bには、ターミナルプレート16a、16bが収容され、前記ターミナルプレート16a、16bの端子部26a、26bが絶縁性筒体28を介装して孔部82a、82bに挿入される。なお、エンドプレート20a、20bの略中央部には、孔部82a、82bと同軸的に孔部84a、84bが形成される。
The
図2に示すように、エンドプレート20aには、酸化剤ガス供給連通孔36a、燃料ガス供給連通孔38a、冷却媒体供給連通孔40a、酸化剤ガス排出連通孔36b、燃料ガス排出連通孔38b及び冷却媒体排出連通孔40bの内周面に対応してそれぞれシール材、例えば、ガスケット90が設けられる。なお、この図2は、酸化剤ガス排出連通孔36b近傍を示しているが、残余の酸化剤ガス供給連通孔36a、燃料ガス供給連通孔38a、冷却媒体供給連通孔40a、燃料ガス排出連通孔38b及び冷却媒体排出連通孔40b近傍も同様に構成されている。
As shown in FIG. 2, the
以上のように構成された固体高分子型燃料電池10において、前記アノード側電極43及び前記カソード側電極44を構成するガス拡散層45a、45bは、上記したようにカーボンペーパーを基材とする。なお、カーボンペーパーは、多数の繊維状カーボンがセルロース質に含有されることで構成されている。
In the polymer
また、中間層46a、46bは、カーボン粒子と、PTFE、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、テトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体、エチレン・テトラフルオロエチレン共重合体、エチレン・クロロトリフルオロエチレン共重合体、ポリフッ化ビニリデン、ポリクロロトリフルオロエチレン、ポリフッ化ビニル等の撥水樹脂を含む。中間層46a、46bは、これらの成分に基づいて撥水性を示す。 The intermediate layers 46a and 46b are composed of carbon particles, PTFE, tetrafluoroethylene / hexafluoropropylene copolymer, tetrafluoroethylene / perfluoroalkyl vinyl ether copolymer, ethylene / tetrafluoroethylene copolymer, ethylene / chloro. Water-repellent resins such as trifluoroethylene copolymer, polyvinylidene fluoride, polychlorotrifluoroethylene, and polyvinyl fluoride are included. The intermediate layers 46a and 46b exhibit water repellency based on these components.
図6に示すように、前記中間層46a、46bの一部は、それぞれ、これらガス拡散層45a、45bに浸透し、残部が該ガス拡散層45a、45bから突出している。すなわち、ガス拡散層45a、45bは、該ガス拡散層45a、45bから突出した中間層46a、46bの厚み分、電極触媒層47a、47bから離間している。なお、図6においては、ガス拡散層45a、45bにおける中間層46a、46bが浸透した部位を、両層のハッチングを重ね合わせることで示している。 As shown in FIG. 6, a part of the intermediate layers 46a and 46b penetrates into the gas diffusion layers 45a and 45b, respectively, and the remaining part protrudes from the gas diffusion layers 45a and 45b. That is, the gas diffusion layers 45a and 45b are separated from the electrode catalyst layers 47a and 47b by the thickness of the intermediate layers 46a and 46b protruding from the gas diffusion layers 45a and 45b. In FIG. 6, the portions of the gas diffusion layers 45a and 45b where the intermediate layers 46a and 46b have permeated are shown by overlapping the hatching of both layers.
本実施の形態において、ガス拡散層45a、45bにおける中間層46a、46bに臨む端面から、電極触媒層47a、47bにおける中間層46a、46bに臨む端面に至るまでの上記定義に従う最短距離、換言すれば、ガス拡散層45a、45bと電極触媒層47a、47bとの離間距離Lは、7〜29μmの範囲内に設定される。勿論、この離間距離Lは、中間層46a、46bにおけるガス拡散層45a、45bからの突出厚みTに等しい。 In the present embodiment, the shortest distance according to the above definition from the end face facing the intermediate layers 46a and 46b in the gas diffusion layers 45a and 45b to the end face facing the intermediate layers 46a and 46b in the electrode catalyst layers 47a and 47b, in other words, For example, the separation distance L between the gas diffusion layers 45a and 45b and the electrode catalyst layers 47a and 47b is set within a range of 7 to 29 μm. Of course, the separation distance L is equal to the protruding thickness T of the intermediate layers 46a and 46b from the gas diffusion layers 45a and 45b.
離間距離L(突出厚みT)を7μm以上とすることにより、ガス拡散層45a、45b(カーボンペーパー)に含まれる繊維状カーボンが中間層46a、46bないしは電極触媒層47a、47bに対して突出することが回避される。従って、繊維状カーボンが固体高分子電解質膜42に接触することが回避されるので、前記の接触を原因として固体高分子型燃料電池10の耐久性が低下することを回避することができる。
By setting the separation distance L (projection thickness T) to 7 μm or more, the fibrous carbon contained in the gas diffusion layers 45a and 45b (carbon paper) projects from the intermediate layers 46a and 46b or the electrode catalyst layers 47a and 47b. It is avoided. Accordingly, since the fibrous carbon is avoided from contacting the solid
また、中間層46a、46bの突出厚みTを過度に大きくすると、上記した層間剥離が起こり易くなる傾向があるが、本実施の形態では、前記突出厚みT(離間距離L)を29μm以下としているので、各層同士の体積変化量の不整合が緩和される。このために各層間の接合強度が確保されるので、アノード側電極43又はカソード側電極44を作製する最中や、固体高分子型燃料電池10を運転する最中に層間剥離が起こることを回避することができる。
Further, if the protruding thickness T of the intermediate layers 46a and 46b is excessively increased, the above-described delamination tends to occur, but in the present embodiment, the protruding thickness T (separation distance L) is set to 29 μm or less. Therefore, the mismatch of the volume change amount of each layer is relieved. For this reason, since the bonding strength between the respective layers is ensured, it is possible to avoid delamination during the production of the
中間層46a、46bには、電極触媒層47a、47bが積層されている。後述するように、電極触媒層47a、47bは、白金又は白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子が中間層46a、46bの表面に一様に塗布されることで形成される。 Electrode catalyst layers 47a and 47b are stacked on the intermediate layers 46a and 46b. As will be described later, the electrode catalyst layers 47a and 47b are formed by uniformly applying porous carbon particles carrying platinum or a platinum alloy on the surface thereof to the surfaces of the intermediate layers 46a and 46b.
中間層46a、46bにおいて、電極触媒層47a、47bを臨む端面の表面粗さは、JIS B 0601(2001年)に規定される算術平均高さRaが2〜15μmであることが好ましい。算術平均高さRaを2μm以上とすることにより、電極触媒層47a、47bと中間層46a、46bとがいわゆるアンカー効果によって互いに堅牢に接合する。すなわち、一層大きな接合強度を容易に確保することができる。 In the intermediate layers 46a and 46b, the surface roughness of the end faces facing the electrode catalyst layers 47a and 47b preferably has an arithmetic average height Ra defined by JIS B 0601 (2001) of 2 to 15 μm. By setting the arithmetic average height Ra to 2 μm or more, the electrode catalyst layers 47a and 47b and the intermediate layers 46a and 46b are firmly joined to each other by a so-called anchor effect. That is, it is possible to easily ensure a greater bonding strength.
また、算術平均高さRaを15μm以下とした場合、後述する電極触媒層47a、47bの形成時、中間層46a、46bの端面に触媒ペーストを隙間なく塗布することが容易となる。これにより、中間層46a、46bと電極触媒層47a、47bとの間に隙間が形成することを抑制することができるので、中間層46a、46bと電極触媒層47a、47bとの間の接触抵抗を低減することができる。結局、固体高分子型燃料電池10を高電圧で発電させることができる。
In addition, when the arithmetic average height Ra is set to 15 μm or less, it becomes easy to apply the catalyst paste to the end faces of the intermediate layers 46a and 46b without gaps when forming the electrode catalyst layers 47a and 47b described later. Thereby, since it can suppress that a clearance gap forms between intermediate | middle layer 46a, 46b and electrode catalyst layer 47a, 47b, contact resistance between intermediate | middle layer 46a, 46b and electrode catalyst layer 47a, 47b Can be reduced. Eventually, the polymer
以上のような構成のアノード側電極43又はカソード側電極44の作製方法の一例につき説明する。
An example of a method for producing the
先ず、カーボンブラックとPTFE粒子とが所定の割合で混合された混合粒子をエチレングリコールに略均一に分散させ、スラリーを調製する。このスラリーを、例えば、スクリーン印刷によってカーボンペーパーの一端面に塗布した後に乾燥させる。 First, mixed particles in which carbon black and PTFE particles are mixed at a predetermined ratio are dispersed substantially uniformly in ethylene glycol to prepare a slurry. This slurry is applied to one end surface of the carbon paper by screen printing, for example, and then dried.
この際、スクリーン印刷を行う際の印圧、スキージ速度、スラリーを載置するスクリーンメッシュとカーボンペーパーとの間のクリアランス等の諸条件を適切に設定することにより、カーボンペーパーに浸透するスラリーの量や、形成される中間層46a、46bの表面粗さが制御される。カーボンペーパーからのスラリーの突出厚みは、前記スラリーの塗布量、粘度及び該スラリーのカーボンペーパーへの浸透量を制御することによって、調節することができる。また、スラリーを2回以上繰り返して塗布することでも調節可能である。 At this time, the amount of slurry penetrating into the carbon paper by appropriately setting various conditions such as the printing pressure at the time of screen printing, the squeegee speed, and the clearance between the screen mesh on which the slurry is placed and the carbon paper. In addition, the surface roughness of the intermediate layers 46a and 46b to be formed is controlled. The protruding thickness of the slurry from the carbon paper can be adjusted by controlling the application amount of the slurry, the viscosity, and the penetration amount of the slurry into the carbon paper. It is also possible to adjust the slurry by applying it twice or more times.
以上により、カーボンペーパーを基材とするガス拡散層45a、45bと、その一部が該ガス拡散層45a、45bに浸透し、且つ残部がガス拡散層45a、45bから突出した中間層46a、46bが形成される。 As described above, the gas diffusion layers 45a and 45b based on carbon paper and the intermediate layers 46a and 46b in which a part of the gas diffusion layers 45a and 45b penetrates into the gas diffusion layers 45a and 45b and the remaining portions protrude from the gas diffusion layers 45a and 45b. Is formed.
中間層46a、46bの突出厚みTは、例えば、走査型電子顕微鏡(SEM)を用い、SEM画像ないしは写真における寸法と、観察時の倍率に基づいて算出すればよい。 The protruding thickness T of the intermediate layers 46a and 46b may be calculated based on the size in the SEM image or photograph and the magnification at the time of observation using, for example, a scanning electron microscope (SEM).
その一方で、例えば、ファーネスブラック等のカーボンブラックに白金粒子又は白金合金粒子を担持し、触媒粒子を調製する。カーボンブラック:白金(又は白金合金)の割合は、例えば、重量比で1:1とすればよい。 On the other hand, for example, platinum particles or platinum alloy particles are supported on carbon black such as furnace black to prepare catalyst particles. The ratio of carbon black: platinum (or platinum alloy) may be, for example, 1: 1 by weight.
この触媒粒子を、イオン伝導性高分子バインダ溶液であるパーフルオロアルキレンスルホン酸高分子化合物、例えば、ナフィオンに対して重量比で1:1の割合で配合し、略均一に分散させることで触媒ペーストを調製する。 A catalyst paste is prepared by blending the catalyst particles in a weight ratio of 1: 1 with a perfluoroalkylenesulfonic acid polymer compound, for example, Nafion, which is an ion conductive polymer binder solution, and dispersing the catalyst particles almost uniformly. To prepare.
次に、この触媒ペーストを、スクリーン印刷によって前記中間層46a、46bの全面にわたって塗布する。この塗布は、例えば、白金(又は白金合金)量が0.5mg/cm2となるように印刷条件を設定して行えばよい。 Next, this catalyst paste is applied over the entire surface of the intermediate layers 46a and 46b by screen printing. This application may be performed, for example, by setting printing conditions such that the amount of platinum (or platinum alloy) is 0.5 mg / cm 2 .
この際、中間層46a、46bの表面粗さが前記算術平均高さRaで15μm以下であると、触媒ペーストが中間層46a、46bとの間に隙間なく塗布される。 At this time, when the surface roughness of the intermediate layers 46a and 46b is 15 μm or less in terms of the arithmetic average height Ra, the catalyst paste is applied without any gap between the intermediate layers 46a and 46b.
その後、所定の圧力・温度下で所定時間加熱を行って触媒ペーストを乾燥させれば、電極触媒層47a、47bが形成される。中間層46a、46bの表面粗さが前記算術平均高さRaで2μm以上であると、電極触媒層47a、47bがアンカー効果によって中間層46a、46bに堅牢に接合される。 Thereafter, when the catalyst paste is dried by heating at a predetermined pressure and temperature for a predetermined time, the electrode catalyst layers 47a and 47b are formed. When the surface roughness of the intermediate layers 46a and 46b is 2 μm or more in terms of the arithmetic average height Ra, the electrode catalyst layers 47a and 47b are firmly joined to the intermediate layers 46a and 46b by the anchor effect.
以上のようにして、ガス拡散層45a、中間層46a及び電極触媒層47aを具備するアノード側電極43と、ガス拡散層45b、中間層46b及び電極触媒層47bを具備するカソード側電極44が得られる。上記したように、中間層46a、46bの突出厚みTを29μm以下としているので、この作製過程中に各層の体積変化量の不整合等に起因して層間剥離が起こることが回避される。その結果、アノード側電極43及びカソード側電極44の製造歩留まりが向上する。
As described above, the
また、中間層46a、46bの突出厚みT、すなわち、ガス拡散層45a、45bと電極触媒層47a、47bとの離間距離Lが7μm以上であるので、ガス拡散層45a、45bに含まれる繊維状カーボンが固体高分子電解質膜42に接触することもない。
Further, since the protruding thickness T of the intermediate layers 46a and 46b, that is, the separation distance L between the gas diffusion layers 45a and 45b and the electrode catalyst layers 47a and 47b is 7 μm or more, the fibrous shape contained in the gas diffusion layers 45a and 45b. Carbon does not come into contact with the solid
このようにして作製されたアノード側電極43の電極触媒層47aとカソード側電極44の電極触媒層47bとで固体高分子電解質膜42、例えば、スルホン化ポリアリーレンポリマー又はナフィオン等のプロトン伝導性固体高分子膜を挟持し、例えば、ホットプレスを行うことで一体化すれば、電解質膜・電極構造体30が作製されるに至る。
The electrode catalyst layer 47a of the
次に、この電解質膜・電極構造体30を第1セパレータ32と第2セパレータ34とで挟持することで単位セル12が構成される(図1及び図2参照)。この単位セル12を所定数だけ積層することにより、積層体14(図1参照)が得られる。さらに、積層体14の積層方向一端にターミナルプレート16a、絶縁プレート18a及びエンドプレート20aを配設する一方、他端にターミナルプレート16b、絶縁プレート18b及びエンドプレート20bを配設し、これらを箱状ケーシングで保持するか、又は、複数のタイロッドで締め付け保持することにより、固体高分子型燃料電池10が得られる。
Next, the
本実施の形態に係る固体高分子型燃料電池10は、基本的には以上のように構成されるものであり、次にその作用効果について説明する。
The polymer
この固体高分子型燃料電池10を運転するに際しては、図1に示すように、エンドプレート20aの酸化剤ガス供給連通孔36aに酸素含有ガス等の酸化剤ガスが供給されるとともに、燃料ガス供給連通孔38aに水素含有ガス等の燃料ガスが供給される。さらに、冷却媒体供給連通孔40aに純水やエチレングリコール等の冷却媒体が供給される。このため、積層体14では、矢印A方向に重ね合わされた複数の単位セル12に対し、酸化剤ガス、燃料ガス及び冷却媒体が、それぞれ矢印A方向に供給される。
When the polymer
図3及び図5に示すように、酸化剤ガスは、酸化剤ガス供給連通孔36aから第2セパレータ34の酸化剤ガス流路60に導入され、電解質膜・電極構造体30のカソード側電極44に沿って移動する。
As shown in FIGS. 3 and 5, the oxidant gas is introduced from the oxidant gas
その際、図5に示すように、第2セパレータ34の面34aでは、酸化剤ガス供給連通孔36aを流れる酸化剤ガスは、複数の凸状部70a間に形成された複数の入口通路溝68aから入口バッファ部62aに供給される。この入口バッファ部62aに供給された酸化剤ガスは、矢印B方向に分散されるとともに、酸化剤ガス流路60を構成する複数の波状流路溝60aに沿って鉛直下方向に流動する。
At that time, as shown in FIG. 5, on the
一方、燃料ガスは、図3及び図4に示すように、第1セパレータ32の面32aにおいて、燃料ガス供給連通孔38aから複数の凸状部58a間に形成された複数の入口通路溝56aに供給された後、入口バッファ部50aに導入される。入口バッファ部50aで矢印B方向に分散された燃料ガスは、燃料ガス流路48を構成する複数の波状流路溝48aに沿って移動し、電解質膜・電極構造体30のアノード側電極43に供給される。
On the other hand, as shown in FIGS. 3 and 4, the fuel gas flows into the plurality of
本実施の形態において、この燃料ガスには水分が含有されている(以下、この水分を保湿水ともいう)。この保湿水によって固体高分子電解質膜42が湿潤状態に保たれ、これにより、該固体高分子電解質膜42におけるプロトン伝導が継続的に発現する。
In the present embodiment, the fuel gas contains moisture (hereinafter, this moisture is also referred to as moisturizing water). The moisturizing water keeps the solid
各電解質膜・電極構造体30では、アノード側電極43に供給された燃料ガス中の水素ガスがガス拡散層45aを通過した後に電極触媒層47aで電離し、プロトンと電子が生成される。電子は、固体高分子型燃料電池10に電気的に接続された外部負荷を付勢するための電気エネルギとして取り出され、一方、プロトンは、電解質膜・電極構造体30を構成する固体高分子電解質膜42を介してカソード側電極44に到達する。
In each electrolyte membrane /
そして、カソード側電極44の電極触媒層47bでは、前記プロトンと、外部負荷を付勢した後に該カソード側電極44に到達した電子と、該カソード側電極44に供給されてガス拡散層45bを通過した酸化剤ガス中の酸素ガスとが結合する。この結果、水分が生成される。以下、この水分を生成水ともいう。
In the electrode catalyst layer 47b of the
以上の保湿水及び生成水は、適当量がアノード側電極43及びカソード側電極44を構成する中間層46a、46bに保持され、残部は、ガス拡散層45a、45bの基材が撥水性のカーボンペーパーであるために速やかに該ガス拡散層45a、45bを通過し、燃料ガス流路48又は酸化剤ガス流路60に到達する。すなわち、この固体高分子型燃料電池10では、保水性が向上するとともに余剰の水分を排出することが容易である。
Appropriate amounts of the above moisturizing water and generated water are held in the intermediate layers 46a and 46b constituting the
その一方で、これら中間層46a、46bの一部がガス拡散層45a、45bに浸透しているので、反応ガスがガス拡散層45a、45b及び中間層46a、46bを容易に通過する。 On the other hand, since some of these intermediate layers 46a and 46b penetrate into the gas diffusion layers 45a and 45b, the reaction gas easily passes through the gas diffusion layers 45a and 45b and the intermediate layers 46a and 46b.
上記したように、アノード側電極43及びカソード側電極44を構成する生成ガス拡散層45a、45b中の繊維状カーボンが固体高分子電解質膜42に接触することが回避されているので、固体高分子型燃料電池10を運転する最中に該固体高分子電解質膜42に傷が生じることを回避することができる。このため、固体高分子型燃料電池10の耐久性が向上し、これにより、該固体高分子型燃料電池10にクロスリークが発生することが長期間にわたって抑制される。結局、固体高分子型燃料電池10を長期間にわたって連続運転することが可能となる。
As described above, since the fibrous carbon in the product gas diffusion layers 45a and 45b constituting the
カソード側電極44に供給されて消費された酸化剤ガスは、図5に示すように、酸化剤ガス流路60の下部に連通する出口バッファ部62bに送られる。さらに、酸化剤ガスは、出口バッファ部62bから複数の凸状部70b間に形成された複数の出口通路溝68bに沿って酸化剤ガス排出連通孔36bに排出される。
As shown in FIG. 5, the oxidant gas consumed by being supplied to the
同様に、アノード側電極43に供給されて消費された燃料ガスは、図3及び図4に示すように、燃料ガス流路48の下部に連通する出口バッファ部50bに送られた後、複数の凸状部58b間に形成された複数の出口通路溝56bに沿って燃料ガス排出連通孔38bに排出される。
Similarly, the fuel gas supplied to and consumed by the
燃料ガスに含まれてアノード側電極43に到達した水分、及びカソード側電極44で生成された水分の各々は、これらアノード側電極43及びカソード側電極44を構成するガス拡散層45a、45bの基材が撥水性のカーボンペーパーであるために速やかに該ガス拡散層45a、45bを通過し、燃料ガス流路48又は酸化剤ガス流路60に至る。最終的に、水分は、燃料ガス又は酸化剤ガスに同伴されて酸化剤ガス排出連通孔36b又は燃料ガス排出連通孔38bから排出される。
The moisture contained in the fuel gas and reaching the
また、冷却媒体は、冷却媒体供給連通孔40aから第1セパレータ32及び第2セパレータ34間の冷却媒体流路72に導入された後、矢印B方向(水平方向)に沿って流動する。この冷却媒体は、電解質膜・電極構造体30を冷却した後、冷却媒体排出連通孔40bから排出される。
The cooling medium flows in the direction of arrow B (horizontal direction) after being introduced into the cooling
本実施の形態では、例えば、図5に示すように、第2セパレータ34は、縦長に構成されて長辺が重力方向(矢印C方向)に設定されるとともに、酸化剤ガス流路60は、重力方向に延在する複数の波状流路溝60aを有している。このため、長尺な波状流路溝60aには、反応により生成水が比較的多量に発生し易いが、酸化剤ガスが重力方向に沿って流動するため、前記生成水は、自重によって前記波状流路溝60aに沿って鉛直下方向に確実に排出される。
In the present embodiment, for example, as shown in FIG. 5, the
さらに、酸化剤ガス流路60の下部には、出口バッファ部62bが設けられるとともに、この出口バッファ部62bよりも下方には、複数の出口通路溝68bを介して酸化剤ガス排出連通孔36bが配置されている。従って、酸化剤ガス流路60で反応により生成された生成水は、この酸化剤ガス流路60の下部や出口バッファ部62bに滞留することがなく、酸化剤ガス排出連通孔36bに排出される。
Further, an
その際、出口バッファ部62bには、酸化剤ガス排出連通孔36bに向かって傾斜する傾斜面66aが設けられるとともに、この傾斜面66aから前記酸化剤ガス排出連通孔36bに向かって複数の出口通路溝68bが傾斜して設けられている。
At that time, the
これにより、酸化剤ガス流路60の下部から出口バッファ部62bに送られた生成水は、出口通路溝68bを介して酸化剤ガス排出連通孔36bに円滑且つ確実に流動し、生成水の滞留を一層確実に阻止することができる。
As a result, the generated water sent from the lower part of the oxidant
特に、固体高分子型燃料電池10の運転停止時には、酸化剤ガス流路60の生成水は、自重によって酸化剤ガス排出連通孔36bに排出される。このため、単位セル12内に生成水が滞留することがなく、例えば、残留水分の凍結による前記単位セル12の損傷を良好に阻止することができるという利点がある。
In particular, when the operation of the polymer
勿論、図4に示す燃料ガス流路48においても、上記の酸化剤ガス流路60と同様の効果が得られる。従って、アノード側電極43及びカソード側電極44に供給された反応ガスがガス拡散層45a、45bを容易に通過することができるので、固体高分子型燃料電池10の発電特性が一層良好となる。
Of course, also in the fuel
さらにまた、本実施の形態では、酸化剤ガス流路60が複数の波状流路溝60aを有しており、直線状流路に比べて酸化剤ガス流路長を良好に長尺化することが可能になる。従って、酸化剤ガス流路60における流路圧損が増加し、酸化剤ガスの流速が高まって生成水の排水性が向上する。
Furthermore, in this embodiment, the oxidant
さらに、酸化剤ガスは、波状流路溝60aに沿って矢印C方向に移動するため、この酸化剤ガスの流れ方向が波状に変化している。これにより、カソード側電極44での酸化剤ガスの拡散性が高まって、発電性能が有効に向上するという効果がある。
Furthermore, since the oxidant gas moves in the direction of arrow C along the wavy
また、出口通路溝68bを構成する複数の凸状部70bの下端位置は、千鳥状に配置されている。このため、各凸状部70bの下端位置同士の間隔が大きくなり、前記凸状部70bに沿って自重により下降する生成水は、水滴となって残留することがなく、出口通路溝68bから確実に排出することが可能になる。その際、凸状部70bの下端は、湾曲端面(R面)を構成している。これにより、凸状部70bの下端に水滴が付着することを、一層確実に阻止することができる。
Moreover, the lower end position of the some convex-shaped
なお、上記した実施の形態では、反応ガスを重力方向上方から下方に流通させるようにしているが、反応ガスを水平方向に流通させるようにしてもよいことは勿論である。 In the above-described embodiment, the reaction gas is circulated from the upper side to the lower side in the direction of gravity, but it is needless to say that the reaction gas may be circulated in the horizontal direction.
また、中間層46a、46bは、繊維状カーボンを含有するものであってもよい。 The intermediate layers 46a and 46b may contain fibrous carbon.
カーボンブラックとPTFE粒子とが重量比で4:6の割合で混合された混合粒子をエチレングリコールに略均一に分散させ、スラリーを調製した。このスラリーを、スクリーン印刷によってカーボンペーパーの一端面に塗布した後に乾燥させ、カーボンペーパーを基材とするガス拡散層45a、45b上に、その一部が該ガス拡散層45a、45bに浸透し、且つ残部がガス拡散層45a、45bから突出した中間層46a、46bを形成した。 A mixed particle in which carbon black and PTFE particles were mixed at a weight ratio of 4: 6 was dispersed substantially uniformly in ethylene glycol to prepare a slurry. The slurry is applied to one end surface of the carbon paper by screen printing and then dried. A part of the slurry penetrates the gas diffusion layers 45a and 45b on the gas diffusion layers 45a and 45b based on the carbon paper, In addition, intermediate layers 46a and 46b whose remaining portions protruded from the gas diffusion layers 45a and 45b were formed.
その一方で、カーボンブラックの1種であるファーネスブラックに対して白金粒子を重量比で1:1の割合で担持し、触媒粒子を調製した。この触媒粒子を、ナフィオンに対して重量比で1:1の割合で配合し、略均一に分散させることで触媒ペーストを調製した。 On the other hand, platinum particles were supported at a weight ratio of 1: 1 with respect to furnace black, which is one type of carbon black, to prepare catalyst particles. The catalyst particles were blended at a weight ratio of 1: 1 with respect to Nafion and dispersed substantially uniformly to prepare a catalyst paste.
次に、この触媒ペーストを、スクリーン印刷によって中間層46a、46bの全面にわたって塗布した。この際、白金量が0.5mg/cm2となるように印刷条件を設定した。さらに、およそ60℃で約10分間加熱した後、減圧下においておよそ120℃で約15分間加熱することで触媒ペーストを乾燥させ、電極触媒層47a、47bを形成した。これにより、ガス拡散層45a、中間層46a及び電極触媒層47aを具備するアノード側電極43と、ガス拡散層45b、中間層46b及び電極触媒層47bを具備するカソード側電極44とを得た。
Next, this catalyst paste was applied over the entire surface of the intermediate layers 46a and 46b by screen printing. At this time, the printing conditions were set so that the amount of platinum was 0.5 mg / cm 2 . Further, after heating at approximately 60 ° C. for approximately 10 minutes, the catalyst paste was dried by heating at approximately 120 ° C. for approximately 15 minutes under reduced pressure, thereby forming electrode catalyst layers 47a and 47b. As a result, an
以上の過程において、スクリーン印刷を行う際の印圧、スキージ速度、スラリーを載置するスクリーンメッシュとカーボンペーパーとの間のクリアランス等の諸条件を種々変更し、これにより、カーボンペーパーに浸透するスラリーの量(カーボンペーパーからのスラリーの突出厚みT)が互いに相違するアノード側電極43及びカソード側電極44を作製した。なお、中間層46a、46bの突出厚みTは、SEMを用いて算出した。
In the above process, various conditions such as printing pressure during screen printing, squeegee speed, clearance between the screen mesh on which the slurry is placed and the carbon paper are variously changed, whereby the slurry that penetrates the carbon paper The
このようにして作製されたアノード側電極43の電極触媒層47aとカソード側電極44の電極触媒層47bとで、固体高分子電解質膜42としてのナフィオンを挟持し、およそ150℃において約2.5MPaで15分間のホットプレスを行うことで一体化して、電解質膜・電極構造体30を得た。さらに、この電解質膜・電極構造体30を第1セパレータ32と第2セパレータ34とで挟持し、単位セル12を構成した。
Nafion as the solid
次に、各単位セル12を、温度を85℃、電流密度を定期的に0から1.2A/cm2、又は1.2A/cm2から0に変更しながら発電させ、該単位セル12にクロスリークが起こるまでの時間を調べた。なお、運転に際しては、アノード側電極43に水素ガスを150kPa、カソード側電極44に圧縮空気を100kPaで供給するとともに、水素ガスの利用率を70%、圧縮空気の利用率を80%とした。また、カソード側電極44から排出されるガス中に含まれる水素ガスが500ppmに到達したときを、クロスリークの発生開始と判断した。
Next, each
結果を、中間層46a、46bにおけるガス拡散層からの突出厚みTとの関係で図7に示す。この図7から、中間層46a、46bの突出厚みT(ガス拡散層45a、45bと電極触媒層47a、47bとの離間距離L)を7〜29μmの範囲内とすることにより、アノード側電極43又はカソード側電極44の作製時に層間剥離が生じることがなく、しかも、耐久性が著しく優れる固体高分子型燃料電池10が得られることが明らかである。
The results are shown in FIG. 7 in relation to the protrusion thickness T from the gas diffusion layer in the intermediate layers 46a and 46b. From FIG. 7, by setting the protruding thickness T of the intermediate layers 46a and 46b (the distance L between the gas diffusion layers 45a and 45b and the electrode catalyst layers 47a and 47b) within the range of 7 to 29 μm, Alternatively, it is apparent that there is no delamination when the
また、上記と同様に、スクリーン印刷を行う際の印圧、スキージ速度、スラリーを載置するスクリーンメッシュとカーボンペーパーとの間のクリアランス等の諸条件を種々変更し、中間層46a、46bの突出厚みTを15μmで一定とする一方、該中間層46a、46bにおける電極触媒層47a、47bに臨む側の端面の算術平均高さRaを種々変更してアノード側電極43及びカソード側電極44を作製した。なお、中間層46a、46bの算術平均高さRaは、キーエンス社製の表面粗さ測定機KS−1100を用いて求めた。
Similarly to the above, various conditions such as the printing pressure at the time of screen printing, the squeegee speed, the clearance between the screen mesh on which the slurry is placed and the carbon paper are variously changed, and the protrusion of the intermediate layers 46a and 46b is performed. While the thickness T is kept constant at 15 μm, the anode-
さらに、これらアノード側電極43及びカソード側電極44を用いて単位セル12を作製し、各単位セル12を温度85℃、電流密度1A/cm2で発電させた。水素ガス及び圧縮空気の供給圧力と利用率は、上記と同一とした。
Furthermore, the
中間層46a、46bにおける前記算術平均高さRaと、各単位セル12の電圧との関係をグラフにして図8に示す。この図8から、前記算術平均高さRaを2〜15μmの範囲内とすることで、発電時の電圧が大きく発電特性に優れた単位セル12が得られることが諒解される。
FIG. 8 is a graph showing the relationship between the arithmetic average height Ra in the intermediate layers 46a and 46b and the voltage of each
10…固体高分子型燃料電池 12…単位セル
14…積層体 16a、16b…ターミナルプレート
18a、18b…絶縁プレート 20a、20b…エンドプレート
30…電解質膜・電極構造体 32、34…セパレータ
36a…酸化剤ガス供給連通孔 36b…酸化剤ガス排出連通孔
38a…燃料ガス供給連通孔 38b…燃料ガス排出連通孔
40a…冷却媒体供給連通孔 40b…冷却媒体排出連通孔
42…固体高分子電解質膜 43…アノード側電極
44…カソード側電極 45a、45b…ガス拡散層
46a、46b…中間層 47a、47b…電極触媒層
48…燃料ガス流路 48a、60a…波状流路溝
50a、62a…入口バッファ部 50b、62b…出口バッファ部
56a、68a…入口通路溝 56b、68b…出口通路溝
58a、58b、70a、70b…凸状部
60…酸化剤ガス流路 72…冷却媒体流路
L…離間距離 T…突出厚み
DESCRIPTION OF
Claims (1)
前記アノード側電極及びカソード側電極は、カーボンペーパーを基材とするガス拡散層と、前記電解質膜に臨む電極触媒層と、前記ガス拡散層と前記電極触媒層の間に介在し且つ前記電極触媒層に接合するとともに、カーボン粒子及び撥水樹脂を重量比でカーボン粒子:撥水樹脂=6:4で含む中間層とを有し、
前記中間層の一端部全体が前記ガス拡散層の厚み方向の途中まで浸透することで前記中間層の一部が前記ガス拡散層に浸透するとともに、該中間層の他端部全体が前記ガス拡散層から突出しており、
且つ前記ガス拡散層における前記中間層に臨む端面と、前記電極触媒層における前記中間層に臨む端面との最短距離が7〜29μmであり、
さらに、前記中間層の前記電極触媒層に臨む側の端面の表面粗さが、算術平均高さで2〜15μmであることを特徴とする固体高分子型燃料電池用電解質膜・電極構造体。
ただし、前記最短距離は、前記ガス拡散層における前記中間層に臨む端面に存在する隆起部のうち高さが最高のものの頂部と、前記電極触媒層中で前記頂部に対向する部位との距離、又は、前記電極触媒層における前記中間層に臨む端面に存在する隆起部のうち高さが最高のものの頂部と、前記ガス拡散層中で前記頂部に対向する部位との距離のいずれか一方のうち、距離が短い方のことをいう。 Electrolyte membrane / electrode structure for a polymer electrolyte fuel cell comprising an electrolyte membrane made of a polymer ion exchange membrane and a proton conductor, and an anode side electrode and a cathode side electrode disposed via the electrolyte membrane Because
The anode side electrode and the cathode side electrode are interposed between the gas diffusion layer based on carbon paper, the electrode catalyst layer facing the electrolyte membrane, the gas diffusion layer and the electrode catalyst layer, and the electrode catalyst. And an intermediate layer containing carbon particles and water repellent resin in a weight ratio of carbon particles: water repellent resin = 6: 4 ,
A part of the intermediate layer permeates the gas diffusion layer by infiltrating the whole one end part of the intermediate layer in the middle of the thickness direction of the gas diffusion layer, and the other end part of the intermediate layer diffuses the gas diffusion part. Protruding from the layer,
And the shortest distance of the end surface which faces the said intermediate | middle layer in the said gas diffusion layer, and the end surface which faces the said intermediate | middle layer in the said electrode catalyst layer is 7-29 micrometers,
Further, the electrolyte membrane / electrode structure for a polymer electrolyte fuel cell, wherein the surface roughness of the end face of the intermediate layer facing the electrode catalyst layer is an arithmetic average height of 2 to 15 μm.
However, the shortest distance is the distance between the top of the raised portion present on the end surface facing the intermediate layer in the gas diffusion layer and the portion facing the top in the electrode catalyst layer, Or, of any one of the distances between the top of the raised portion present on the end face facing the intermediate layer in the electrode catalyst layer and the portion facing the top in the gas diffusion layer The one with the shorter distance.
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