Deprecated: The each() function is deprecated. This message will be suppressed on further calls in /home/zhenxiangba/zhenxiangba.com/public_html/phproxy-improved-master/index.php on line 456
JP5542278B2 - Gas diffusion layer for fuel cell and polymer electrolyte fuel cell - Google Patents
[go: Go Back, main page]

JP5542278B2 - Gas diffusion layer for fuel cell and polymer electrolyte fuel cell - Google Patents

Gas diffusion layer for fuel cell and polymer electrolyte fuel cell Download PDF

Info

Publication number
JP5542278B2
JP5542278B2 JP2010203261A JP2010203261A JP5542278B2 JP 5542278 B2 JP5542278 B2 JP 5542278B2 JP 2010203261 A JP2010203261 A JP 2010203261A JP 2010203261 A JP2010203261 A JP 2010203261A JP 5542278 B2 JP5542278 B2 JP 5542278B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
layer
fuel cell
elastic modulus
catalyst layer
hard
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Fee Related
Application number
JP2010203261A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP2012059615A (en
Inventor
泰 松廣
高弘 新田
成孝 濱田
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Toyota Motor Corp
Soken Inc
Original Assignee
Nippon Soken Inc
Toyota Motor Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Nippon Soken Inc, Toyota Motor Corp filed Critical Nippon Soken Inc
Priority to JP2010203261A priority Critical patent/JP5542278B2/en
Publication of JP2012059615A publication Critical patent/JP2012059615A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP5542278B2 publication Critical patent/JP5542278B2/en
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

Landscapes

  • Fuel Cell (AREA)
  • Inert Electrodes (AREA)

Description

本発明は、燃料電池用ガス拡散層および固体高分子型燃料電池に係り、特に、触媒層とガス流路層との間に、両側から圧縮された状態で配置される燃料電池用ガス拡散層および当該ガス拡散層を備えた固体高分子型燃料電池に関する。   The present invention relates to a fuel cell gas diffusion layer and a polymer electrolyte fuel cell, and more particularly to a fuel cell gas diffusion layer disposed between a catalyst layer and a gas flow path layer in a compressed state from both sides. The present invention also relates to a polymer electrolyte fuel cell including the gas diffusion layer.

燃料電池の単セル(以下、燃料電池セルとする)は、電解質膜と、電解質膜の両側に設けられる触媒層と、触媒層の外側に設けられ、ガス流路を有するセパレータとを備え、さらに、触媒層とセパレータのガス流路との間にガス拡散層を備えている。一般的に、自動車等の車両に搭載される燃料電池は、複数の燃料電池セルが積層された燃料電池スタックとして使用されている。そして、燃料電池スタックは、各燃料電池セル内および各燃料電池セル間の接触抵抗を低く抑えるために、両側から予め定められた所定圧で圧縮されている。具体的には、各燃料電池セルを構成する各層の界面にかかる面圧が所定圧となるように、燃料電池スタックの両側に設けられるエンドプレートがボルト等の締結部材で強く締結されている。   A single cell of a fuel cell (hereinafter referred to as a fuel cell) includes an electrolyte membrane, a catalyst layer provided on both sides of the electrolyte membrane, and a separator provided on the outside of the catalyst layer and having a gas flow path. A gas diffusion layer is provided between the catalyst layer and the gas flow path of the separator. In general, a fuel cell mounted on a vehicle such as an automobile is used as a fuel cell stack in which a plurality of fuel cells are stacked. The fuel cell stack is compressed with a predetermined pressure determined in advance from both sides in order to keep the contact resistance in each fuel cell and between each fuel cell low. Specifically, the end plates provided on both sides of the fuel cell stack are strongly fastened with fastening members such as bolts so that the surface pressure applied to the interface of each layer constituting each fuel battery cell becomes a predetermined pressure.

近年、燃料電池セルの大面積化が進むにつれ締結部材の締結力も大きくなり、締結部材の大きさや重量の増大が問題視されてきている。そこで、この締結力を小さくすることが求められている。一方、ガス流路は、厚み方向に凹凸のある溝構造が一般的であるから、ガス流路の凸部に接触する部分の面圧が高くなり、ガス流路の凹部に対応する部分の面圧が低くなる。ゆえに、締結部材の締結力を小さくして燃料電池セルの面圧を低くすると、ガス流路の凹部に対応する部分では面圧が不足し、特にガス拡散層と触媒層との界面において局所的な触抵抵抗の増大が起こり易くなる。また、ガス拡散層および触媒層にも表面凹凸が存在し、この表面凹凸も低面圧条件における局所的な接触抵抗増大の要因となる。   In recent years, as the fuel cell increases in area, the fastening force of the fastening member increases, and an increase in the size and weight of the fastening member has been regarded as a problem. Therefore, it is required to reduce this fastening force. On the other hand, since the gas flow channel generally has a groove structure with unevenness in the thickness direction, the surface pressure of the portion that contacts the convex portion of the gas flow channel increases, and the surface of the portion corresponding to the concave portion of the gas flow channel Pressure is lowered. Therefore, if the fastening force of the fastening member is reduced to reduce the surface pressure of the fuel cell, the surface pressure is insufficient at the portion corresponding to the recess of the gas flow path, and particularly at the interface between the gas diffusion layer and the catalyst layer. Increase in contact resistance is likely to occur. Further, surface irregularities also exist in the gas diffusion layer and the catalyst layer, and these surface irregularities also cause a local contact resistance increase under low surface pressure conditions.

本発明に関連する技術として、ガス流路側に設けられた硬質層と、触媒層側に設けられた圧縮性の層とを備えた燃料電池のガス拡散媒体が特許文献1に開示されている。また、特許文献1には、典型的な拡散媒体は、圧縮荷重が0.34〜2.76MPaの範囲のときに10〜50%の範囲の圧縮歪みを示すこと、そして、硬質層によって拡散媒体のガス流路中への浸入を防止できることが開示されている。さらに、特許文献1には、硬質層は、圧縮性の層よりも少なくとも6倍大きな弾性率を有すること、そして、硬質層の厚さは、拡散媒体の全厚さの8%であり、および70%以下であることが開示されている。   As a technique related to the present invention, Patent Document 1 discloses a gas diffusion medium for a fuel cell including a hard layer provided on the gas flow path side and a compressible layer provided on the catalyst layer side. Patent Document 1 discloses that a typical diffusion medium exhibits a compressive strain in a range of 10 to 50% when a compressive load is in a range of 0.34 to 2.76 MPa. It is disclosed that intrusion into the gas flow path can be prevented. Further, in US Pat. No. 6,057,059, the hard layer has an elastic modulus that is at least 6 times greater than the compressible layer, and the thickness of the hard layer is 8% of the total thickness of the diffusion medium, and It is disclosed that it is 70% or less.

特開2009‐501423号公報JP 2009-501423 A

上記のように、特許文献1の技術は、圧縮性の高い拡散媒体がガス流路に浸入することを防止するために硬質層を設けたものであって、例えば、0.3MPa以下のように、燃料電池セルの面圧を低く設定することについては考慮していない。したがって、特許文献1を含む従来の技術では、低面圧条件において、燃料電池セル、特にガス拡散層と触媒層との接触抵抗の増加を抑制するための有効な手段は開示されていない。   As described above, the technique of Patent Document 1 is provided with a hard layer in order to prevent a highly compressible diffusion medium from entering the gas flow path, for example, 0.3 MPa or less. Therefore, no consideration is given to setting the surface pressure of the fuel cell low. Therefore, the conventional techniques including Patent Document 1 do not disclose effective means for suppressing an increase in the contact resistance between the fuel cell, particularly the gas diffusion layer and the catalyst layer, under low surface pressure conditions.

本発明の目的は、燃料電池セルの面圧を低減した場合であっても、触媒層との界面において、局所的な面圧の低下を回避して局所的な接触抵抗の増大を防止し、接触抵抗を低い状態に維持することが可能な燃料電池用ガス拡散層を提供することである。また、当該ガス拡散層を備えた固体高分子型燃料電池を提供することである。   The object of the present invention is to prevent an increase in local contact resistance by avoiding a decrease in local surface pressure at the interface with the catalyst layer even when the surface pressure of the fuel cell is reduced. To provide a gas diffusion layer for a fuel cell capable of maintaining a low contact resistance. Moreover, it is providing the polymer electrolyte fuel cell provided with the said gas diffusion layer.

本発明に係る燃料電池用ガス拡散層は、ガス流路層と、表面凹凸深さHcを有する触媒層との間に、両側から予め定められた所定の圧力で圧縮された状態で配置され、ガス流路層を流れるガスを触媒層に拡散供給するための燃料電池用ガス拡散層において、ガス流路層側に設けられ、表面凹凸深さHbを有する硬質層と、触媒層側に設けられ、厚み方向の弾性率が硬質層の厚み方向の弾性率の1/12未満である軟質層と、を備え、軟質層は、触媒層の厚み方向の弾性率をEzc、面方向の弾性率をExcとし、硬質層の厚み方向の弾性率をEzb、面方向の弾性率をExbとして、Hc×(Ezc/Exc)+Hb×(Ezb/Exb)を超える厚みを有し、硬質層の表面凹凸深さの1/10未満で、且つ触媒層の表面凹凸深さよりも大きな粒子径を有する粒子状の導電性材料、又は硬質層の表面凹凸深さの1/10未満で、且つ触媒層の表面凹凸深さよりも大きな繊維径を有する繊維状の導電性材料と、絶縁性樹脂と、から構成されることを特徴とする。 The fuel cell gas diffusion layer according to the present invention is disposed between the gas flow path layer and the catalyst layer having the surface unevenness depth Hc in a state of being compressed at a predetermined pressure determined in advance from both sides. In a gas diffusion layer for a fuel cell for diffusing and supplying a gas flowing through a gas flow path layer to a catalyst layer, a hard layer provided on the gas flow path layer side and having a surface unevenness depth Hb, and provided on the catalyst layer side A soft layer whose elastic modulus in the thickness direction is less than 1/12 of the elastic modulus in the thickness direction of the hard layer, and the soft layer has an elastic modulus in the thickness direction of the catalyst layer as Ezc and an elastic modulus in the surface direction. and exc, EZB elastic modulus in the thickness direction of the hard layer, the elastic modulus of the surface direction EXB, have a thickness of greater than Hc × (Ezc / exc) + Hb × (Ezb / Exb), surface irregularity depth of the hard layer Less than 1 / 10th of the thickness and larger than the surface irregularity depth of the catalyst layer A particulate conductive material having a particle diameter, or a fibrous conductive material having a fiber diameter that is less than 1/10 of the surface irregularity depth of the hard layer and larger than the surface irregularity depth of the catalyst layer; And a resin .

上記構成によれば、硬質層の厚み方向の弾性率の1/12未満である厚み方向の弾性率と、Hc×(Ezc/Exc)+Hb×(Ezb/Exb)を超える厚みとを有する軟質層によって、燃料電池セルの面圧を、例えば、0.3MPa以下のような低面圧に設定した場合であっても、硬質層、触媒層、およびガス流路層の表面凹凸の影響を十分に緩和することができる。即ち、軟質層は、低面圧条件であっても、硬質層および触媒層の表面凹凸部分に十分入り込み、硬質層および触媒層との大きな接触面積を確保することができる。したがって、ガス拡散層の軟質層と触媒層との界面、および軟質層と硬質層との界面において、面圧の均一化を図り、局所的な面圧の低下を回避して局所的な接触抵抗の増大を防止することが可能になる。   According to the said structure, the soft layer which has the elasticity modulus of the thickness direction which is less than 1/12 of the elasticity modulus of the thickness direction of a hard layer, and the thickness exceeding Hcx (Ezc / Exc) + Hbx (Ezb / Exb) Even if the surface pressure of the fuel cell is set to a low surface pressure such as 0.3 MPa or less, the influence of the surface unevenness of the hard layer, the catalyst layer, and the gas flow path layer is sufficiently affected. Can be relaxed. That is, the soft layer can sufficiently enter the surface irregularities of the hard layer and the catalyst layer even under low surface pressure conditions, and can ensure a large contact area with the hard layer and the catalyst layer. Therefore, at the interface between the soft layer and the catalyst layer of the gas diffusion layer and at the interface between the soft layer and the hard layer, the surface pressure is made uniform, and the local contact resistance is avoided by avoiding the decrease in the local surface pressure. It is possible to prevent an increase in

また、本発明に係る固体高分子型燃料電池は、ガス流路層と、表面凹凸深さHcを有する触媒層との間に、両側から予め定められた所定の圧力で圧縮された状態で配置され、ガス流路層を流れるガスを触媒層に拡散供給するための燃料電池用ガス拡散層を備える固体高分子型燃料電池において、ガス拡散層が、ガス流路層側に設けられ、表面凹凸深さHbを有する硬質層と、触媒層側に設けられ、厚み方向の弾性率が硬質層の厚み方向の弾性率の1/12未満である軟質層と、を備え、軟質層は、触媒層の厚み方向の弾性率をEzc、面方向の弾性率をExcとし、硬質層の厚み方向の弾性率をEzb、面方向の弾性率をExbとして、Hc×(Ezc/Exc)+Hb×(Ezb/Exb)を超える厚みを有し、硬質層の表面凹凸深さの1/10未満で、且つ触媒層の表面凹凸深さよりも大きな粒子径を有する粒子状の導電性材料、又は硬質層の表面凹凸深さの1/10未満で、且つ触媒層の表面凹凸深さよりも大きな繊維径を有する繊維状の導電性材料と、絶縁性樹脂と、から構成されることを特徴とする。
Further, the polymer electrolyte fuel cell according to the present invention is disposed between the gas flow path layer and the catalyst layer having the surface unevenness depth Hc in a compressed state from both sides at a predetermined pressure. is, in a polymer electrolyte fuel cell comprising a fuel cell gas diffusion layer for diffusing supply gas flowing in the gas flow path layer in the catalyst layer, gas diffusion layer is provided on the gas flow path layer side surface a hard layer having an uneven depth Hb, provided the catalyst layer side, and a soft layer is less than 1/12 of the thickness direction of the elastic modulus in the thickness direction of the elastic modulus is hard layer, a soft electrolyte layer is Assuming that the elastic modulus in the thickness direction of the catalyst layer is Ezc, the elastic modulus in the surface direction is Exc, the elastic modulus in the thickness direction of the hard layer is Ezb, and the elastic modulus in the surface direction is Exb, Hc × (Ezc / Exc) + Hb × ( EZB / EXB) have a thickness of greater than, the surface roughness depth of the hard layer 1 / Particulate conductive material having a particle diameter less than 10 and larger than the surface unevenness depth of the catalyst layer, or less than 1/10 of the surface unevenness depth of the hard layer and larger than the surface unevenness depth of the catalyst layer It is characterized by comprising a fibrous conductive material having a fiber diameter and an insulating resin .

本発明に係る燃料電池用ガス拡散層によれば、燃料電池セルの面圧を低減した場合であっても、特に触媒層との界面において、局所的な面圧の低下を回避して局所的な接触抵抗の増大を防止し、接触抵抗を低い状態に維持することが可能になる。したがって、燃料電池セルの締結力を小さくすることができ、締結部材の小型化や軽量化を実現することができる。   According to the gas diffusion layer for a fuel cell according to the present invention, even when the surface pressure of the fuel cell is reduced, a local surface pressure is prevented from being lowered, particularly at the interface with the catalyst layer. It is possible to prevent an increase in contact resistance and maintain a low contact resistance. Therefore, the fastening force of the fuel cell can be reduced, and the fastening member can be reduced in size and weight.

本発明の実施形態である燃料電池用ガス拡散層を備えた燃料電池を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the fuel cell provided with the gas diffusion layer for fuel cells which is embodiment of this invention. 本発明の実施形態である燃料電池用ガス拡散層を備えた燃料電池において、軟質層と触媒層との界面および軟質層と硬質層との界面の状態を示す断面図である。FIG. 3 is a cross-sectional view showing a state of an interface between a soft layer and a catalyst layer and an interface between a soft layer and a hard layer in a fuel cell including a fuel cell gas diffusion layer according to an embodiment of the present invention. 本発明の実施形態である燃料電池用ガス拡散層を備えた燃料電池において、ガス拡散層と触媒層との界面における面圧と接触抵抗との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the surface pressure and the contact resistance in the interface of a gas diffusion layer and a catalyst layer in the fuel cell provided with the gas diffusion layer for fuel cells which is embodiment of this invention. 本発明の実施形態である燃料電池用ガス拡散層を備えた燃料電池において、ガス拡散層と触媒層との界面における面圧が0.1MPaの低面圧条件下で、軟質層の厚みと接触抵抗との関係を示す図である。In a fuel cell including a gas diffusion layer for a fuel cell according to an embodiment of the present invention, contact with the thickness of the soft layer under a low surface pressure condition where the surface pressure at the interface between the gas diffusion layer and the catalyst layer is 0.1 MPa It is a figure which shows the relationship with resistance. 本発明の実施形態である燃料電池用ガス拡散層を備えた燃料電池において、ガス拡散層と触媒層との界面における面圧が0.1MPaの低面圧条件下で、軟質層の弾性率と接触抵抗との関係を示す図である。In a fuel cell comprising a fuel cell gas diffusion layer according to an embodiment of the present invention, the elastic modulus of the soft layer is determined under a low surface pressure condition where the surface pressure at the interface between the gas diffusion layer and the catalyst layer is 0.1 MPa. It is a figure which shows the relationship with contact resistance. 軟質層の厚みが式(2)の条件を見たさない構成において、軟質層と触媒層との界面および軟質層と硬質層との界面の状態を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the state of the interface of a soft layer and a catalyst layer, and the interface of a soft layer and a hard layer in the structure where the thickness of a soft layer does not see the conditions of Formula (2). 軟質層の厚みが式(2)の条件を見たさない構成において、ガス拡散層と触媒層との界面における面圧と接触抵抗との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the surface pressure and the contact resistance in the interface of a gas diffusion layer and a catalyst layer in the structure where the thickness of a soft layer does not see the conditions of Formula (2).

図面を用いて、本発明に係る燃料電池用ガス拡散層および当該ガス拡散層を備えた固体高分子型燃料電池の実施形態につき、以下詳細に説明する。なお、以下では、本発明に係る燃料電池用ガス拡散層は、車両用燃料電池スタック10(以下、燃料電池スタック10とする)を構成する各燃料電池セル11に適用されるガス拡散層30として説明するが、適用範囲は車両用の燃料電池に限定されない。   Hereinafter, embodiments of a gas diffusion layer for a fuel cell and a polymer electrolyte fuel cell including the gas diffusion layer according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings. Hereinafter, the gas diffusion layer for a fuel cell according to the present invention is referred to as a gas diffusion layer 30 applied to each fuel cell 11 constituting the vehicle fuel cell stack 10 (hereinafter referred to as the fuel cell stack 10). Although described, the application range is not limited to a fuel cell for vehicles.

図1に示すように、燃料電池スタック10は、積層された複数の燃料電池セル11、燃料電池セル11の両側に配置された一対のエンドプレート12、および図示しない締結部材やマニホールド等から構成されている。エンドプレート12は、各燃料電池セル11内および各燃料電池セル11間の接触抵抗を低く抑えるために、図示しない締結部材を用いて燃料電池セル11の積層体を圧縮している。なお、圧縮状態で燃料電池セル11の各層にかかる面圧としては、0.05MPa〜0.5MPaが例示でき、0.1MPa〜0.3MPaであることがより好ましい。以下では、燃料電池セル11は、0.3Mpa以下の面圧で圧縮されているものとして説明する。   As shown in FIG. 1, the fuel cell stack 10 includes a plurality of stacked fuel cells 11, a pair of end plates 12 disposed on both sides of the fuel cells 11, and fastening members and manifolds (not shown). ing. The end plate 12 compresses the stack of the fuel cells 11 using a fastening member (not shown) in order to keep the contact resistance in each fuel cell 11 and between the fuel cells 11 low. In addition, as a surface pressure concerning each layer of the fuel cell 11 in a compressed state, 0.05 MPa to 0.5 MPa can be exemplified, and 0.1 MPa to 0.3 MPa is more preferable. Below, the fuel cell 11 demonstrates as what is compressed by the surface pressure of 0.3 Mpa or less.

また、燃料電池スタック10には、いずれも図示しない、燃料ガスである水素ガスの供給装置、酸化ガスである空気の供給流路、および冷却水の供給装置等がマニホールドを介して接続されている。   The fuel cell stack 10 is connected to a fuel gas hydrogen gas supply device, an oxidizing gas air supply channel, a cooling water supply device, etc., not shown, via a manifold. .

燃料電池セル11は、固体高分子型燃料電池であって、高分子膜である電解質膜13と、電解質膜13の両側に設けられる触媒層14と、触媒層14の外側に設けられるセパレータ15と、触媒層14とセパレータ15との間に設けられるガス拡散層30とを備える。そして、セパレータ15は、ガス拡散層30と接する面に、水素ガス又は空気を流すためのガス流路16を有している。   The fuel cell 11 is a polymer electrolyte fuel cell, and includes an electrolyte membrane 13 that is a polymer membrane, a catalyst layer 14 provided on both sides of the electrolyte membrane 13, and a separator 15 provided outside the catalyst layer 14. The gas diffusion layer 30 provided between the catalyst layer 14 and the separator 15 is provided. The separator 15 has a gas flow path 16 for flowing hydrogen gas or air on the surface in contact with the gas diffusion layer 30.

電解質膜13は、湿潤状態で水素イオン(以下、プロトンとする)を選択的に透過するイオン交換膜であって、アノード電極で生成したプロトンをカソード電極へと移動させる機能を有する。電解質膜13としては、例えば、ナフィオン(デュポン社の登録商標)等のスルホン酸型パーフルオロカーボン重合体、ポリサルホン樹脂、ホスホン酸基又はカルボン酸基を有するパーフルオロカーボン重合体などの高分子膜を用いることができる。   The electrolyte membrane 13 is an ion exchange membrane that selectively permeates hydrogen ions (hereinafter referred to as protons) in a wet state, and has a function of moving protons generated at the anode electrode to the cathode electrode. As the electrolyte membrane 13, for example, a polymer membrane such as a sulfonic acid type perfluorocarbon polymer such as Nafion (registered trademark of DuPont), a polysulfone resin, a perfluorocarbon polymer having a phosphonic acid group or a carboxylic acid group is used. Can do.

触媒層14は、電解質膜13の両側に設けられる層であって、アノード電極側とカソード電極側とでは関与する反応が異なる。アノード電極側の触媒層14は、ガス流路16からガス拡散層30を通って供給された水素ガスをプロトンと電子とに電離させる機能を有する。一方、カソード電極側の触媒層14では、アノード電極側で電離したプロトンおよび電子が、ガス流路16からガス拡散層30を通って供給された空気中の酸素と反応して水が生成される。そして、この一連の反応により起電力が発生する。なお、いずれの触媒層14も、例えば、白金、ルテニウム、又はロジウム等の貴金属触媒を担持した、カーボンブラック、アセチレンブラック、又はカーボンナノチューブ等のカーボン(以下、担持カーボンとする)を主成分とする。触媒層14は、溶媒中に分散させた担持カーボンを電解質膜13の両面に塗布した後、例えば、ホットプレス等を用いて形成することができる。   The catalyst layer 14 is a layer provided on both sides of the electrolyte membrane 13, and the reaction involved is different between the anode electrode side and the cathode electrode side. The catalyst layer 14 on the anode electrode side has a function of ionizing hydrogen gas supplied from the gas flow path 16 through the gas diffusion layer 30 into protons and electrons. On the other hand, in the catalyst layer 14 on the cathode electrode side, protons and electrons ionized on the anode electrode side react with oxygen in the air supplied from the gas flow path 16 through the gas diffusion layer 30 to generate water. . An electromotive force is generated by this series of reactions. Each catalyst layer 14 is mainly composed of carbon such as carbon black, acetylene black, or carbon nanotube (hereinafter referred to as supported carbon) carrying a noble metal catalyst such as platinum, ruthenium, or rhodium. . The catalyst layer 14 can be formed using, for example, a hot press after applying supported carbon dispersed in a solvent on both surfaces of the electrolyte membrane 13.

触媒層14は、例えば、5μm〜30μm程度の厚みを有し、特に10μm程度の厚みが好適である。また、詳しくは後述するように、触媒層14のガス拡散層30側の面は、平坦ではなく表面凹凸が存在する。   The catalyst layer 14 has a thickness of about 5 μm to 30 μm, for example, and a thickness of about 10 μm is particularly suitable. Further, as will be described later in detail, the surface of the catalyst layer 14 on the gas diffusion layer 30 side is not flat but has surface irregularities.

セパレータ15は、水素ガスと空気との混流を防止する機能と、電解質膜13および触媒層14における反応によって発電された電気を集電する機能とを有する。また、一般的に、セパレータ15には、図示しない冷却水流路が形成されており、燃料電池セル11を冷却する機能も有している。また、セパレータ15は、例えば、ステンレス薄板から構成されており、ガス拡散層30を介して電解質膜13および触媒層14を挟持するように燃料電池セル11の両端に設けられている。   The separator 15 has a function of preventing a mixed flow of hydrogen gas and air and a function of collecting electricity generated by a reaction in the electrolyte membrane 13 and the catalyst layer 14. In general, the separator 15 is provided with a cooling water passage (not shown) and has a function of cooling the fuel cell 11. Further, the separator 15 is made of, for example, a stainless thin plate, and is provided at both ends of the fuel cell 11 so as to sandwich the electrolyte membrane 13 and the catalyst layer 14 via the gas diffusion layer 30.

ガス流路16は、上記のように、水素ガス又は空気を流すため流路であって、セパレータ15のガス拡散層30に接する面に形成される。具体的には、アノード電極側のガス流路16に水素ガスが流れ、カソード電極側のガス流路16に空気が流れる。また、いずれのガス流路16も、厚み方向に凹凸を有する溝が形成された構造、例えば、サーペンタイン流路構造やストレート流路構造を採用することができ、凸部がガス拡散層30と接触している。   As described above, the gas flow path 16 is a flow path for flowing hydrogen gas or air, and is formed on the surface of the separator 15 in contact with the gas diffusion layer 30. Specifically, hydrogen gas flows through the gas flow path 16 on the anode electrode side, and air flows through the gas flow path 16 on the cathode electrode side. In addition, each gas flow channel 16 can adopt a structure in which grooves having irregularities in the thickness direction, for example, a serpentine flow channel structure or a straight flow channel structure, and the convex portion is in contact with the gas diffusion layer 30. doing.

ガス拡散層30は、セパレータ15の表面のガス流路16を流れる水素ガス又は空気を触媒層14に拡散させて供給(拡散供給)する機能を有し、ガス流路層であるガス流路16と、触媒層14との間に設けられている。また、ガス拡散層30は、触媒層14とセパレータ15との間の電子伝達媒体としての役割も担う。ゆえに、ガス拡散層30は、触媒層14とセパレータ15との間、特に接触抵抗が上昇し易い触媒層14との間の接触抵抗を低く維持するために、予め定められた所定の圧力で圧縮されて配置されている。具体的には、上記のように、一対のエンドプレート22により燃料電池セル11の全体が圧縮されている。   The gas diffusion layer 30 has a function of diffusing and supplying hydrogen gas or air flowing through the gas flow path 16 on the surface of the separator 15 to the catalyst layer 14 (diffusion supply), and the gas flow path 16 which is a gas flow path layer. And the catalyst layer 14. The gas diffusion layer 30 also serves as an electron transfer medium between the catalyst layer 14 and the separator 15. Therefore, the gas diffusion layer 30 is compressed at a predetermined pressure in order to maintain low contact resistance between the catalyst layer 14 and the separator 15, particularly between the catalyst layer 14 where contact resistance is likely to increase. Has been placed. Specifically, as described above, the entire fuel cell 11 is compressed by the pair of end plates 22.

また、ガス拡散層30は、例えば、0.3MPa以下のような低面圧条件であっても、面圧の均一化を図り、特に触媒層14との界面において局所的な面圧の低下を回避して局所的な接触抵抗の増大を防止する機能を有する。この機能を実現するために、ガス拡散層30は、ガス流路16側に設けられる硬質層31と、触媒層14側に設けられる軟質層32とから構成された2層構造を有し、軟質層32の厚み方向の弾性率および厚みを後述するように規定している。   In addition, the gas diffusion layer 30 achieves uniform surface pressure even under low surface pressure conditions such as 0.3 MPa or less, and particularly reduces the local surface pressure at the interface with the catalyst layer 14. It has a function of avoiding an increase in local contact resistance. In order to realize this function, the gas diffusion layer 30 has a two-layer structure including a hard layer 31 provided on the gas flow path 16 side and a soft layer 32 provided on the catalyst layer 14 side. The elastic modulus and thickness in the thickness direction of the layer 32 are defined as described later.

硬質層31は、ガス流路16と接触する層であって、軟質層32よりも硬く弾性率が高い層である。なお、本明細書において、弾性率とは、圧縮力をひずみで除して得られるヤング率を意味する。硬質層31としては、例えば、カーボンペーパ、カーボンクロス、カーボンフェルトなどの繊維状の導電性材料から構成され、好ましくは、ポリテトラフルオロエチレンなどの絶縁性樹脂でコーティングされた導電性材料が用いられる。また、硬質層31は、カーボンブラックなどの粒子状の導電性材料と、ポリテトラフルオロエチレンなどの絶縁性樹脂とから構成することもできる。また、繊維状の導電性材料に、粒子状の導電性材料、さらには絶縁性材料を混練したペーストを塗布してもよい。硬質層31は、例えば、繊維状の導電性材料を軟質層32の構成材料とラミネートする、或いは硬質層31又は軟質層32の一方の構成材料を他方の構成材料に塗布することで作製される。   The hard layer 31 is a layer that is in contact with the gas flow path 16 and is harder than the soft layer 32 and has a higher elastic modulus. In this specification, the elastic modulus means Young's modulus obtained by dividing the compressive force by strain. As the hard layer 31, for example, a conductive material made of a fibrous conductive material such as carbon paper, carbon cloth, or carbon felt, and preferably coated with an insulating resin such as polytetrafluoroethylene is used. . The hard layer 31 can also be composed of a particulate conductive material such as carbon black and an insulating resin such as polytetrafluoroethylene. Alternatively, a paste obtained by kneading a particulate conductive material or an insulating material may be applied to a fibrous conductive material. The hard layer 31 is produced, for example, by laminating a fibrous conductive material with the constituent material of the soft layer 32 or by applying one constituent material of the hard layer 31 or the soft layer 32 to the other constituent material. .

硬質層31は、例えば、100μm〜300μm程度の厚みを有し、特に150μm〜200μm程度の厚みが好適である。また、詳しくは後述するように、硬質層31の表面は、平坦ではなく表面凹凸が存在する。   The hard layer 31 has, for example, a thickness of about 100 μm to 300 μm, and particularly preferably a thickness of about 150 μm to 200 μm. Further, as will be described in detail later, the surface of the hard layer 31 is not flat but has surface irregularities.

軟質層32は、触媒層14と接触する層であって、硬質層31よりも柔軟性があり圧縮し易い層である。また、軟質層32は、触媒層14よりも柔軟性が高い。即ち、軟質層32の弾性率は、硬質層31および触媒層14よりも低く、特に厚み方向の弾性率(Eza)は、式(1)に示すように、硬質層31の厚み方向の弾性率(Ezb)の1/12未満であることが要求される。
Eza<Ezb/12・・・・・(1)
なお、弾性率(Eza)の好ましい範囲としては、弾性率(Ezb)の1/12未満〜1/24が例示でき、例えば、0.1MPa〜10MPaの範囲で設定される。
The soft layer 32 is a layer that is in contact with the catalyst layer 14, and is a layer that is more flexible and easier to compress than the hard layer 31. Further, the soft layer 32 is more flexible than the catalyst layer 14. That is, the elastic modulus of the soft layer 32 is lower than that of the hard layer 31 and the catalyst layer 14, and particularly the elastic modulus (Eza) in the thickness direction is the elastic modulus in the thickness direction of the hard layer 31 as shown in Equation (1). It is required to be less than 1/12 of (Ezb).
Eza <Ezb / 12 (1)
In addition, as a preferable range of an elasticity modulus (Eza), less than 1/12-1/24 of an elasticity modulus (Ezb) can be illustrated, for example, it sets in the range of 0.1 MPa-10 MPa.

軟質層32の弾性率(Eza)を規定する式(1)は、ホルムの接触抵抗理論等に基づく演算結果、また、種々の弾性率におけるシミュレーション結果および実際の実験結果によって導出されたものである。即ち、実験結果等によれば、軟質層32は、弾性率(Eza)が式(1)の条件を満たし、且つ後述するように、厚みTaが式(2)を満たす場合に、0.3MPa以下のような低面圧条件においても接触抵抗の増大を防止することができる。一方、弾性率(Eza)が式(1)の条件を満たさない場合、即ち弾性率(Eza)が硬質層31の弾性率(Ezb)の1/12以上である場合は、低面圧条件で接触抵抗の増大を防止できない。   The expression (1) that defines the elastic modulus (Eza) of the soft layer 32 is derived from the calculation results based on Holm's contact resistance theory and the like, as well as the simulation results and actual experimental results for various elastic moduli. . That is, according to the experimental results and the like, the soft layer 32 has 0.3 MPa when the elastic modulus (Eza) satisfies the condition of the expression (1) and the thickness Ta satisfies the expression (2) as described later. An increase in contact resistance can be prevented even under the following low surface pressure conditions. On the other hand, when the elastic modulus (Eza) does not satisfy the condition of the formula (1), that is, when the elastic modulus (Eza) is 1/12 or more of the elastic modulus (Ezb) of the hard layer 31, the low surface pressure condition is used. An increase in contact resistance cannot be prevented.

なお、軟質層32としては、硬質層31と同様の繊維状又は粒子状の導電性材料から構成することができる。但し、弾性率(Eza)を硬質層31よりも小さくするために、例えば、繊維密度の低い材料や柔軟性の高い材料が用いられ、特にカーボンブラック等の粒子状の導電性材料が好適である。また、軟質層32は、面圧の均一化等の観点から、硬質層31の表面凹凸深さHbの1/10未満で、且つ触媒層14の表面凹凸深さHcよりも大きな粒子径を有する粒子状の導電性材料、又は硬質層31の表面凹凸深さHbの1/10未満で、且つ触媒層14の表面凹凸深さHcよりも大きな繊維径を有する繊維状の導電性材料と、ポリテトラフルオロエチレンなどの絶縁性樹脂とから構成されることが好ましい。なお、当該粒子径および繊維径の条件も、上記の演算結果、また、シミュレーション結果および実験結果によって導出されたものである。   The soft layer 32 can be composed of a fibrous or particulate conductive material similar to the hard layer 31. However, in order to make the elastic modulus (Eza) smaller than that of the hard layer 31, for example, a material having a low fiber density or a material having a high flexibility is used, and a particulate conductive material such as carbon black is particularly suitable. . In addition, the soft layer 32 has a particle diameter that is less than 1/10 of the surface unevenness depth Hb of the hard layer 31 and larger than the surface unevenness depth Hc of the catalyst layer 14 from the viewpoint of uniform surface pressure and the like. A particulate conductive material, or a fibrous conductive material having a fiber diameter less than 1/10 of the surface irregularity depth Hb of the hard layer 31 and larger than the surface irregularity depth Hc of the catalyst layer 14; It is preferably composed of an insulating resin such as tetrafluoroethylene. The particle diameter and fiber diameter conditions are also derived from the above calculation results, simulation results, and experimental results.

ここで、図2を用いて、ガス拡散層30の構成、特に軟質層32の構成をさらに説明する。なお、図2は、軟質層32と触媒層14との界面および軟質層32と硬質層31との界面の状態を示す断面図であり、図2(a)は未圧縮状態、図2(b)が圧縮状態をそれぞれ示している。   Here, the configuration of the gas diffusion layer 30, particularly the configuration of the soft layer 32, will be further described with reference to FIG. 2 is a cross-sectional view showing the interface between the soft layer 32 and the catalyst layer 14 and the interface between the soft layer 32 and the hard layer 31. FIG. 2 (a) is an uncompressed state and FIG. ) Indicates the compression state.

図2(a)に示すように、軟質層32が接触する触媒層14の表面および硬質層31の表面には、表面凹凸が存在する。触媒層14の表面凹凸深さHcおよび硬質層31の表面凹凸深さHbは、それぞれの厚みによっても異なるが、通常、硬質層31の方が分厚いので、表面凹凸深さはHc<Hbの関係となる。なお、後述の式(2)で用いられる表面凹凸深さHc,Hbとは、未圧縮状態或いは非常に低い圧縮状態(以下、微圧縮状態と略記)における厚み方向の表面凹凸の長さであって、例えば、光学顕微鏡や走査型電子顕微鏡(SEM)、プローブの針先端圧を0.01〜0.1MPaに制御した先端径10μm以下の表面粗さ計や走査型プローブ顕微鏡(SPM)などを用いて測定することができる。   As shown in FIG. 2A, surface irregularities exist on the surface of the catalyst layer 14 and the surface of the hard layer 31 with which the soft layer 32 contacts. The surface unevenness depth Hc of the catalyst layer 14 and the surface unevenness depth Hb of the hard layer 31 are different depending on the thicknesses. However, since the hard layer 31 is usually thicker, the surface unevenness depth has a relationship of Hc <Hb. It becomes. The surface unevenness depths Hc and Hb used in formula (2) described later are the lengths of the surface unevenness in the thickness direction in an uncompressed state or a very low compressed state (hereinafter abbreviated as a finely compressed state). For example, an optical microscope, a scanning electron microscope (SEM), a surface roughness meter with a tip diameter of 10 μm or less, a scanning probe microscope (SPM), etc., in which the probe tip pressure is controlled to 0.01 to 0.1 MPa. Can be measured.

そして、軟質層32は、触媒層14および硬質層31の表面凹凸に基づいて、式(2)の条件を満たす厚みTaを有している。なお、厚みTaとは、未圧縮状態或いは微圧縮状態における厚みを意味する。
Ta>{Hc×(Exc/Ezc)}+{Hb×(Exb/Ezb)}・・・(2)
ここで、Ex1は、触媒層14の面方向の弾性率、Ex2:硬質層31の面方向の弾性率である。また、Hc,Hbは、上記のように、未圧縮状態或いは微圧縮状態における触媒層14および硬質層31の表面凹凸深さであり、式(2)においては、例えば、表面凹凸深さの最大値、中央値、最頻値、又は平均値などを用いることができる。これらのうち、中央値、最頻値、又は平均値を用いることが好ましく、平均値を用いることがより好ましい。
The soft layer 32 has a thickness Ta that satisfies the expression (2) based on the surface irregularities of the catalyst layer 14 and the hard layer 31. In addition, thickness Ta means the thickness in an uncompressed state or a fine compression state.
Ta> {Hc × (Exc / Ezc)} + {Hb × (Exb / Ezb)} (2)
Here, Ex1 is the elastic modulus in the surface direction of the catalyst layer 14, Ex2: the elastic modulus in the surface direction of the hard layer 31. Hc and Hb are the surface unevenness depths of the catalyst layer 14 and the hard layer 31 in the uncompressed state or the slightly compressed state as described above. In the formula (2), for example, the maximum surface unevenness depth is A value, median, mode, average, or the like can be used. Among these, it is preferable to use a median value, a mode value, or an average value, and it is more preferable to use an average value.

軟質層32の厚みTaを規定する式(2)は、ポアソン比に基づく演算により導出され、種々の厚みにおけるシミュレーションおよび実際の実験によって裏付けられたものである。式(2)の(Exc/Ezc)および(Exb/Ezb)は、触媒層14および硬質層31の圧縮状態において、各層の面方向への伸びと厚み方向への伸びとの比率を表すものである。そして、未圧縮状態或いは微圧縮状態の表面凹凸深さに当該比率を乗じることにより、圧縮状態における各層の表面凹凸深さを推定することができる。即ち、軟質層32の厚みTaは、圧縮状態における触媒層14の表面凹凸深さと硬質層32の表面凹凸深さとの和を超える厚みを有することが要求される。   Expression (2) that defines the thickness Ta of the soft layer 32 is derived by calculation based on the Poisson's ratio, and is supported by simulations and actual experiments at various thicknesses. (Exc / Ezc) and (Exb / Ezb) in the formula (2) represent the ratio of the elongation in the surface direction and the elongation in the thickness direction of each layer in the compressed state of the catalyst layer 14 and the hard layer 31. is there. And the surface uneven | corrugated depth of each layer in a compression state can be estimated by multiplying the said ratio by the surface uneven | corrugated depth of an uncompressed state or a fine compression state. That is, the thickness Ta of the soft layer 32 is required to have a thickness that exceeds the sum of the surface unevenness of the catalyst layer 14 and the surface unevenness of the hard layer 32 in the compressed state.

即ち、軟質層32は、弾性率(Eza)が式(1)の条件を満たし、厚みTaが式(2)を満たす場合に限り、図2(b)に示すように、0.3MPa以下のような低面圧条件においても触媒層14の表面凹凸と硬質層31の表面凹凸に対応し、両層と隙間なく接触する。一方、厚みTaが式(2)の条件を満たさない場合は、弾性率(Eza)が式(1)の条件を満たしている場合でも、低面圧条件で接触抵抗の増大を防止できない。   That is, as shown in FIG. 2B, the soft layer 32 is 0.3 MPa or less as long as the elastic modulus (Eza) satisfies the condition of the expression (1) and the thickness Ta satisfies the expression (2). Even under such a low surface pressure condition, it corresponds to the surface unevenness of the catalyst layer 14 and the surface unevenness of the hard layer 31, and is in contact with both layers without any gap. On the other hand, when the thickness Ta does not satisfy the condition of the formula (2), even when the elastic modulus (Eza) satisfies the condition of the formula (1), an increase in contact resistance cannot be prevented under a low surface pressure condition.

なお、ガス拡散層30の厚みは、ガス拡散性等の観点から、50μm〜500μmであることが好ましく、100μm〜300μmであることがより好ましい。そして、軟質層32の厚みTaとしては、ガス拡散層30全体の厚みによっても異なるが、50〜200μmであることが好ましく、70〜100μmであることがより好ましい。   The thickness of the gas diffusion layer 30 is preferably 50 μm to 500 μm, more preferably 100 μm to 300 μm, from the viewpoint of gas diffusibility and the like. And as thickness Ta of the soft layer 32, although it changes also with the thickness of the gas diffusion layer 30 whole, it is preferable that it is 50-200 micrometers, and it is more preferable that it is 70-100 micrometers.

ここで、図2と、比較例として図6とを用いて、上記構成を備えるガス拡散層30の作用効果、特に軟質層32の作用効果について説明する。なお、図6は、図2に対応する図であり、軟質層32に代えて、式(2)の条件を満たさない軟質層51を用いた場合の界面状態を示す図である。   Here, with reference to FIG. 2 and FIG. 6 as a comparative example, the function and effect of the gas diffusion layer 30 having the above configuration, particularly the function and effect of the soft layer 32 will be described. FIG. 6 is a diagram corresponding to FIG. 2, and is a diagram illustrating an interface state when a soft layer 51 that does not satisfy the condition of Expression (2) is used instead of the soft layer 32.

図2(a)に示すように、弾性率(Eza)が式(1)の条件を満たし、且つ厚みTaが式(2)の条件を満たす軟質層32は、図2(b)に示すように、例えば、0.3MPaのような低面圧条件であっても、触媒層14および硬質層31の表面凹凸部分に十分入り込むことができる。即ち、軟質層32は、触媒層14および硬質層31と隙間なく接触して、低面圧条件においても両層との大きな接触面積を確保することができる。したがって、ガス拡散層30を用いれば、局所的な面圧の低下を回避して局所的な接触抵抗の増大を防止し、接触抵抗を低い状態に維持することが可能になる。   As shown in FIG. 2A, the soft layer 32 in which the elastic modulus (Eza) satisfies the condition of the expression (1) and the thickness Ta satisfies the condition of the expression (2) is as shown in FIG. In addition, for example, even under low surface pressure conditions such as 0.3 MPa, the surface irregularities of the catalyst layer 14 and the hard layer 31 can sufficiently enter. That is, the soft layer 32 can be in contact with the catalyst layer 14 and the hard layer 31 without a gap, and a large contact area with both layers can be secured even under low surface pressure conditions. Therefore, if the gas diffusion layer 30 is used, it is possible to avoid a decrease in local surface pressure, prevent an increase in local contact resistance, and maintain the contact resistance in a low state.

一方、図6(a)に示すように、軟質層51の厚みが式(2)の条件を満たさない場合には、図6(b)に示すように、軟質層51が触媒層14および硬質層31の表面凹凸部分に十分入り込まず、両層との間に大きな隙間が生じて、特に低面圧条件では大きな接触面積を確保することができない。したがって、図6に示すガス拡散層50を用いた場合には、面圧が不均一となり、局所的な接触抵抗の増大を引き起こす。   On the other hand, as shown in FIG. 6A, when the thickness of the soft layer 51 does not satisfy the condition of the formula (2), the soft layer 51 includes the catalyst layer 14 and the hard layer as shown in FIG. The surface 31 does not sufficiently enter the surface uneven portion of the layer 31 and a large gap is formed between both layers, and a large contact area cannot be ensured particularly under low surface pressure conditions. Therefore, when the gas diffusion layer 50 shown in FIG. 6 is used, the surface pressure becomes non-uniform and causes an increase in local contact resistance.

次に、図3〜図5と、比較例として図7とを用いて、ガス拡散層30の作用効果をさらに説明する。各図では、▲が実測値、点線が計算値をそれぞれ示している。   Next, the function and effect of the gas diffusion layer 30 will be further described with reference to FIGS. 3 to 5 and FIG. 7 as a comparative example. In each figure, ▲ indicates an actual measurement value, and a dotted line indicates a calculated value.

なお、図3は、ガス拡散層30と触媒層14との界面における面圧と接触抵抗との関係を示す図であり、図4および図5は、ガス拡散層30と触媒層14との界面における面圧が0.1MPaの条件下で、軟質層32の厚みと接触抵抗との関係および軟質層32の弾性率と接触抵抗との関係をそれぞれ示す図である。また、図7は、図3に対応する図であり、軟質層32に代えて、式(2)の条件を満たさない軟質層51を用いた場合を示す図である。   3 is a diagram showing the relationship between the contact pressure and the contact pressure at the interface between the gas diffusion layer 30 and the catalyst layer 14, and FIGS. 4 and 5 show the interface between the gas diffusion layer 30 and the catalyst layer 14. FIG. 6 is a diagram showing the relationship between the thickness of the soft layer 32 and the contact resistance and the relationship between the elastic modulus of the soft layer 32 and the contact resistance under the condition that the surface pressure is 0.1 MPa. FIG. 7 is a diagram corresponding to FIG. 3, and shows a case where a soft layer 51 that does not satisfy the condition of Expression (2) is used instead of the soft layer 32.

図3に示すように、弾性率(Eza)が式(1)の条件を満たし、且つ厚みTaが式(2)の条件を満たす軟質層32(Eza=1MPa,Ta=98μm)を用いた場合には、0.3MPaのような低面圧条件であっても、接触抵抗の増大が殆どなく、低接触抵抗を維持できている。一方、図7に示すように、式(1)および式(2)の条件を満たさない軟質層52を用いた場合には、面圧が0.3MPaより小さくなると、接触抵抗の急激な上昇を引き起こす。   As shown in FIG. 3, when the soft layer 32 (Eza = 1 MPa, Ta = 98 μm) in which the elastic modulus (Eza) satisfies the condition of the expression (1) and the thickness Ta satisfies the condition of the expression (2) is used. Even under low surface pressure conditions such as 0.3 MPa, the contact resistance hardly increases and the low contact resistance can be maintained. On the other hand, as shown in FIG. 7, when the soft layer 52 that does not satisfy the conditions of the expressions (1) and (2) is used, if the surface pressure becomes smaller than 0.3 MPa, the contact resistance increases rapidly. cause.

また、図4に示すように、式(1)および式(2)の条件を満たす軟質層32(Eza=1MPa)を用いた場合には、その厚みTaが厚くなるほど接触抵抗が低くなる傾向が得られた。具体的には、厚みTaを52μmから98μmに変化させると、接触抵抗が85mΩ・cm2から40mΩ・cm2に変化し、厚みTaを約2倍にすると接触抵抗が約1/2になるという結果が得られた。なお、図4に例示する傾向は、厚みTaが50μm〜100μm程度において、軟質層32が式(1)および(2)の条件を満たす範囲で、触媒層14の表面凹凸深さHc、硬質層32の表面凹凸深さHb、又は硬質層31の弾性率(Ezb)を変化させても殆ど変化しない。 Further, as shown in FIG. 4, when the soft layer 32 (Eza = 1 MPa) satisfying the conditions of the expressions (1) and (2) is used, the contact resistance tends to decrease as the thickness Ta increases. Obtained. Specifically, when the thickness Ta is changed from 52 μm to 98 μm, the contact resistance is changed from 85 mΩ · cm 2 to 40 mΩ · cm 2 , and when the thickness Ta is about doubled, the contact resistance is about ½. Results were obtained. In addition, the tendency illustrated in FIG. 4 shows that the thickness Ta of the catalyst layer 14 in the range where the thickness Ta is about 50 μm to 100 μm and the soft layer 32 satisfies the conditions of the expressions (1) and (2), the hard layer Even if the surface irregularity depth Hb of 32 or the elastic modulus (Ezb) of the hard layer 31 is changed, it hardly changes.

また、図5に示すように、式(1)および式(2)の条件を満たす軟質層32(Ta=98μm)を用いた場合には、その弾性率(Eza)が低くなる、即ち柔軟性が高くなるほど接触抵抗が低くなる傾向が得られた。具体的には、弾性率(Eza)を10MPaから1MPaに変化させると、接触抵抗が50mΩ・cm2から40mΩ・cm2に変化するという結果が得られた。なお、図5に例示する傾向は、弾性率(Eza)が1MPa〜10MPa程度において、軟質層32が式(1)および(2)の条件を満たす範囲で、触媒層14の表面凹凸深さHc、硬質層32の表面凹凸深さHb、又は硬質層31の弾性率(Ezb)を変化させても殆ど変化しない。 Further, as shown in FIG. 5, when the soft layer 32 (Ta = 98 μm) satisfying the conditions of the expressions (1) and (2) is used, the elastic modulus (Eza) is lowered, that is, the flexibility. The higher the value, the lower the contact resistance. Specifically, varying elastic modulus (Eza) from 10MPa to 1 MPa, the contact resistance results in changes from 50 m [Omega · cm 2 to 40m · cm 2 was obtained. In addition, the tendency illustrated in FIG. 5 shows that the surface unevenness depth Hc of the catalyst layer 14 is within the range where the elastic layer (Eza) is about 1 MPa to 10 MPa and the soft layer 32 satisfies the conditions of the expressions (1) and (2). Even if the surface unevenness depth Hb of the hard layer 32 or the elastic modulus (Ezb) of the hard layer 31 is changed, it hardly changes.

以上のように、固体高分子型燃料電池のガス拡散層として、硬質層31と、式(1)および式(2)の条件を満たす軟質層32とを備えたガス拡散層30を用いれば、燃料電池セルの面圧を低減した場合であっても、局所的な面圧の低下を回避して局所的な接触抵抗の増大を防止し、接触抵抗を低い状態に維持することが可能になる。したがって、燃料電池セルの締結力を小さくすることができ、締結部材の小型化や軽量化を実現することができる。   As described above, if the gas diffusion layer 30 including the hard layer 31 and the soft layer 32 satisfying the conditions of the expressions (1) and (2) is used as the gas diffusion layer of the solid polymer fuel cell, Even when the surface pressure of the fuel cell is reduced, it is possible to avoid a decrease in the local surface pressure, prevent an increase in the local contact resistance, and maintain the contact resistance in a low state. . Therefore, the fastening force of the fuel cell can be reduced, and the fastening member can be reduced in size and weight.

なお、上記では、セパレータ15にガス流路16が形成されるものとして説明したが、本発明のガス拡散層が適用される燃料電池としては、セパレータと別部材のガス流路層を備える燃料電池であってもよい。   In the above description, the gas flow path 16 is formed in the separator 15. However, as a fuel cell to which the gas diffusion layer of the present invention is applied, a fuel cell including a gas flow path layer that is a separate member from the separator. It may be.

10 燃料電池スタック、11 燃料電池セル、12 エンドプレート、13 電解質膜、14 触媒層、15 セパレータ、16 ガス流路、30 ガス拡散層、31 硬質層、32 軟質層、Hc 触媒層の表面凹凸深さ、Hb 硬質層の表面凹凸深さ、Ta 軟質層の厚み。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Fuel cell stack, 11 Fuel cell, 12 End plate, 13 Electrolyte membrane, 14 Catalyst layer, 15 Separator, 16 Gas flow path, 30 Gas diffusion layer, 31 Hard layer, 32 Soft layer, Hc Surface unevenness depth of catalyst layer , Hb Hard layer surface unevenness depth, Ta soft layer thickness.

Claims (2)

ガス流路層と、表面凹凸深さHcを有する触媒層との間に、両側から予め定められた所定の圧力で圧縮された状態で配置され、前記ガス流路層を流れるガスを前記触媒層に拡散供給するための燃料電池用ガス拡散層において、
前記ガス流路層側に設けられ、表面凹凸深さHbを有する硬質層と、
前記触媒層側に設けられ、厚み方向の弾性率が前記硬質層の厚み方向の弾性率の1/12未満である軟質層と、を備え、
前記軟質層は、
前記触媒層の厚み方向の弾性率をEzc、面方向の弾性率をExcとし、前記硬質層の厚み方向の弾性率をEzb、面方向の弾性率をExbとして、Hc×(Ezc/Exc)+Hb×(Ezb/Exb)を超える厚みを有し、
前記硬質層の表面凹凸深さの1/10未満で、且つ前記触媒層の表面凹凸深さよりも大きな粒子径を有する粒子状の導電性材料、又は前記硬質層の表面凹凸深さの1/10未満で、且つ前記触媒層の表面凹凸深さよりも大きな繊維径を有する繊維状の導電性材料と、
絶縁性樹脂と、
から構成されることを特徴とする燃料電池用ガス拡散層。
And a gas flow path layer, between the catalyst layer having a surface roughness depth Hc, is disposed in a compressed state at a predetermined pressure that is determined in advance from both sides, the catalyst layer of the gas flowing through the gas flow path layer In the fuel cell gas diffusion layer for diffusion supply to
Provided in the gas flow path layer side, and a hard layer having a surface roughness depth Hb,
Provided on the catalyst layer side, comprises a soft layer elastic modulus in the thickness direction is less than 1/12 of the elastic modulus in the thickness direction of the hard layer, and
The soft layer is
EZC the thickness direction of the elastic modulus of the catalyst layer, the elastic modulus of the surface direction and Exc, the thickness direction of the elastic modulus of the hard layer EZB, the elastic modulus of the surface direction Exb, Hc × (Ezc / Exc ) + Hb have a thickness of more than × (Ezb / Exb),
Particulate conductive material having a particle diameter that is less than 1/10 of the surface unevenness depth of the hard layer and larger than the surface unevenness depth of the catalyst layer, or 1/10 of the surface unevenness depth of the hard layer Less than and a fibrous conductive material having a fiber diameter larger than the surface irregularity depth of the catalyst layer;
An insulating resin;
A gas diffusion layer for a fuel cell, comprising:
ガス流路層と、表面凹凸深さHcを有する触媒層との間に、両側から予め定められた所定の圧力で圧縮された状態で配置され、前記ガス流路層を流れるガスを前記触媒層に拡散供給するための燃料電池用ガス拡散層を備える固体高分子型燃料電池において、
前記ガス拡散層が、前記ガス流路層側に設けられ、表面凹凸深さHbを有する硬質層と、前記触媒層側に設けられ、厚み方向の弾性率が硬質層の厚み方向の弾性率の1/12未満である軟質層と、を備え、
前記軟質層は、
前記触媒層の厚み方向の弾性率をEzc、面方向の弾性率をExcとし、前記硬質層の厚み方向の弾性率をEzb、面方向の弾性率をExbとして、Hc×(Ezc/Exc)+Hb×(Ezb/Exb)を超える厚みを有し、
前記硬質層の表面凹凸深さの1/10未満で、且つ前記触媒層の表面凹凸深さよりも大きな粒子径を有する粒子状の導電性材料、又は前記硬質層の表面凹凸深さの1/10未満で、且つ前記触媒層の表面凹凸深さよりも大きな繊維径を有する繊維状の導電性材料と、
絶縁性樹脂と、
から構成されることを特徴とする固体高分子型燃料電池。
And a gas flow path layer, between the catalyst layer having a surface roughness depth Hc, is disposed in a compressed state at a predetermined pressure that is determined in advance from both sides, the catalyst layer of the gas flowing through the gas flow path layer In a polymer electrolyte fuel cell comprising a gas diffusion layer for a fuel cell for diffusion supply to
The gas diffusion layer is provided in the gas flow path layer side, and a hard layer having a surface roughness depth Hb, provided the catalyst layer side, in the thickness direction modulus of elasticity in the thickness direction of the hard layer A soft layer that is less than 1/12,
The soft layer is
EZC the thickness direction of the elastic modulus of the catalyst layer, the elastic modulus of the surface direction and Exc, the thickness direction of the elastic modulus of the hard layer EZB, the elastic modulus of the surface direction Exb, Hc × (Ezc / Exc ) + Hb have a thickness of more than × (Ezb / Exb),
Particulate conductive material having a particle diameter that is less than 1/10 of the surface unevenness depth of the hard layer and larger than the surface unevenness depth of the catalyst layer, or 1/10 of the surface unevenness depth of the hard layer Less than and a fibrous conductive material having a fiber diameter larger than the surface irregularity depth of the catalyst layer;
An insulating resin;
A polymer electrolyte fuel cell comprising:
JP2010203261A 2010-09-10 2010-09-10 Gas diffusion layer for fuel cell and polymer electrolyte fuel cell Expired - Fee Related JP5542278B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2010203261A JP5542278B2 (en) 2010-09-10 2010-09-10 Gas diffusion layer for fuel cell and polymer electrolyte fuel cell

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2010203261A JP5542278B2 (en) 2010-09-10 2010-09-10 Gas diffusion layer for fuel cell and polymer electrolyte fuel cell

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2012059615A JP2012059615A (en) 2012-03-22
JP5542278B2 true JP5542278B2 (en) 2014-07-09

Family

ID=46056469

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2010203261A Expired - Fee Related JP5542278B2 (en) 2010-09-10 2010-09-10 Gas diffusion layer for fuel cell and polymer electrolyte fuel cell

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP5542278B2 (en)

Families Citing this family (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP5889720B2 (en) * 2012-06-04 2016-03-22 本田技研工業株式会社 Electrolyte membrane / electrode structure and manufacturing method thereof
JP6054857B2 (en) * 2013-12-26 2016-12-27 本田技研工業株式会社 Electrolyte membrane / electrode structure
CN105024032A (en) * 2015-07-07 2015-11-04 中国东方电气集团有限公司 Matching structure of polar plate and electrode and flow battery with matching structure
KR102710786B1 (en) * 2019-12-31 2024-09-25 코오롱인더스트리 주식회사 Membrane-Electrode Assembly, Method for Manufacturing The Same, and Fuel Cell Comprising The Same
JP6963703B2 (en) * 2020-03-30 2021-11-10 日本碍子株式会社 Membrane electrode assembly
JP6963705B2 (en) * 2020-03-30 2021-11-10 日本碍子株式会社 Membrane electrode assembly

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2000195527A (en) * 1998-12-25 2000-07-14 Toshiba Corp Fuel cell
JP2002313359A (en) * 2001-04-17 2002-10-25 Mitsubishi Heavy Ind Ltd Polymer electrolyte fuel cell
JP4639722B2 (en) * 2004-09-24 2011-02-23 トヨタ自動車株式会社 Fuel cell manufacturing method and fuel cell
JP2008146928A (en) * 2006-12-07 2008-06-26 Nissan Motor Co Ltd Gas diffusion electrode for fuel cell and manufacturing method thereof
JP2010192219A (en) * 2009-02-17 2010-09-02 Toyota Motor Corp Fuel cell

Also Published As

Publication number Publication date
JP2012059615A (en) 2012-03-22

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN102265439B (en) Fuel cell and method for manufacturing same
JP5924530B2 (en) Gas diffusion layer for fuel cells
JP5069927B2 (en) Membrane electrode assembly for fuel cell and method for producing the same
CN103746123B (en) Dual polar plates of proton exchange membrane fuel cell and the pile of composition thereof
JP5542278B2 (en) Gas diffusion layer for fuel cell and polymer electrolyte fuel cell
CN203760571U (en) Galvanic pile of proton exchange membrane fuel battery
JP2007510273A (en) Fuel cell end plate assembly
WO2016157714A1 (en) Fuel cell and method for manufacturing fuel cell
EP2999038A1 (en) Base material for gas diffusion electrode
WO2019046108A2 (en) DISTRIBUTION PLATE FOR ELECTROCHEMICAL FUEL CELLS
JP4051076B2 (en) Polymer electrolyte fuel cell
JP5292578B2 (en) Metal separator for fuel cell, method for producing metal separator for fuel cell, and fuel cell
JP2009163907A (en) Polymer electrolyte fuel cell
US8354199B2 (en) Multi-layer diffusion medium substrate
JP5214201B2 (en) Sheet elastic body and fuel cell including the same
JP4821111B2 (en) Fuel cell
JP5294550B2 (en) Membrane electrode assembly and fuel cell
WO2011118138A1 (en) Direct oxidation fuel cell
JP2015079639A (en) Electrolyte membrane/electrode structure
WO2019069095A1 (en) Fuel cell or electrolyser assembly
JP2009277465A (en) Polymer electrolyte type fuel cell stack
JP5278042B2 (en) Fuel cell
JP4060736B2 (en) Gas diffusion layer and fuel cell using the same
JP2006066339A (en) Fuel cell
JP2004311056A (en) Fuel cell stack

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20130315

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20131217

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20140107

A521 Written amendment

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20140204

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20140415

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20140506

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 5542278

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

LAPS Cancellation because of no payment of annual fees